變異Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片動轉(zhuǎn)矩輸出性能優(yōu)化分析

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根據(jù)前文所述的數(shù)值模擬方法，本章利用單因素試驗、正交試驗等數(shù)據(jù)分析方法對風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理的試驗安排，研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對于風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片動轉(zhuǎn)矩輸出性能的影響方式和影響機(jī)理。
　　首先對葉片扭角進(jìn)行單因素分析，根據(jù)不同扭角葉片的動轉(zhuǎn)矩曲線、動轉(zhuǎn)矩極差、平均動轉(zhuǎn)矩系數(shù)等因素，確定合理的扭角分布區(qū)間；然后在確定的扭角分布區(qū)間內(nèi)，將葉片重疊比、葉片高徑比、葉片弧度等參數(shù)考慮進(jìn)來，以動轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線、動轉(zhuǎn)矩系數(shù)極差和平均動轉(zhuǎn)矩系數(shù)為評價標(biāo)準(zhǔn)，利用正交試驗的直觀分析方法對變異Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行多參數(shù)的優(yōu)化分析；隨后對葉片扭角和葉片弧度這兩個影響程度較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行交互作用試驗，最終確定合理的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)分布區(qū)間。
　　4．1基于扭角的單因素試驗
　　以往針對Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片的研究主要集中在對于平均動轉(zhuǎn)矩系數(shù)的分析，并沒有關(guān)注風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)運行單個周期內(nèi)動轉(zhuǎn)矩的變化趨勢及特點，本節(jié)主要針對單個周期內(nèi)動轉(zhuǎn)矩的變化方式進(jìn)行分析及討論，對不同扭角參數(shù)Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片的動轉(zhuǎn)矩曲線、動轉(zhuǎn)矩極差、平均動轉(zhuǎn)矩系數(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)的分析對比。
　　4．1．1扭角影響方式的數(shù)學(xué)原理討論
　　針對直葉片型Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)動轉(zhuǎn)矩震蕩幅度較大、平均動轉(zhuǎn)矩系數(shù)較小的缺點，本文考慮通過扭曲變形的方式對直葉片進(jìn)行變異設(shè)計，從而達(dá)到改善風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)動轉(zhuǎn)矩輸出性能的目標(biāo)。直葉片旋轉(zhuǎn)一周的動轉(zhuǎn)矩曲線可以用如下多元曲線函數(shù)進(jìn)行擬合，以得到近似方程：廠(x)=口1 xsin(blx+c,)+a2×sin(如x+c2)+?+口。xsin(b。x+c。)(4．1)其中x表示風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片所在位置的角度，口l，bl，Cl，口2，b2，t22，?，a。，b。，c。是不同的擬合參數(shù)。假設(shè)葉片扭角為僅，葉片高度為h，可以將葉片的扭曲視為在單位高度里扭轉(zhuǎn)了aJh角。葉片扭轉(zhuǎn)a／h角在物理意義上可以視作不同高度的葉片部分產(chǎn)生動轉(zhuǎn)矩的過程發(fā)生了滯后，即將葉片在高度維度上微分后，每個單位高度葉片在特定時間產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩發(fā)生了變化。
　　利用微積分作為工具，對上述擬合曲線方程(4．1)在每個單位高度內(nèi)進(jìn)行變化，扭轉(zhuǎn)的a／h角可以視作對于方程(4．1)的滯后，則第n個單位高度所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變化為：廠(x)=q×[sin島(X--n口／^)+c1]+口：×sin[6l(z—na／h)+c：]+?+口。×sin[乜(J—nalh)+c．](4．2)其中al，bl，Cl，a2，b2，c2，?，a。，b。，C。是不同的擬合參數(shù)。將所有單位高度內(nèi)的方程通過積分求和即可得到扭曲后整個葉片的轉(zhuǎn)矩，最終得到的方程形式為：T=f(x，口，而)(4．3)利用對葉片扭曲變形的方式對風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的目的是讓風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的動轉(zhuǎn)矩輸出更加平穩(wěn)高效，即動轉(zhuǎn)矩震蕩幅度減小，平均動轉(zhuǎn)矩增大，這在數(shù)學(xué)上體現(xiàn)為在h一定的情況下，存在一個a的區(qū)間，當(dāng)x在00～3600區(qū)間變化時，r隨x的震蕩幅度相對較小，而丁的平均值相對較大。通過求導(dǎo)等數(shù)學(xué)方法，可以最終確定合理的僅的區(qū)間，這就是我們所期望得到的扭角分布區(qū)間。
　　4．1．2不同扭角參數(shù)的動轉(zhuǎn)矩曲線對比
　　以3．1．1節(jié)所述的原型機(jī)為基礎(chǔ)，以葉片扭角為變量對直葉片型Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行變異設(shè)計，共選取了扭角為300～200。的18組變異Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行仿真模擬，得到風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片附近流場的具體細(xì)節(jié)。由于其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均不變，因此各葉片的動轉(zhuǎn)矩系數(shù)計算公式相同，動轉(zhuǎn)矩變化方式與動轉(zhuǎn)矩系數(shù)變化方式一致，因此本節(jié)僅圍繞葉片的動轉(zhuǎn)矩展開分析討論。根據(jù)3．5．1節(jié)中的設(shè)置，利用Fluent輸出的torque文件對各扭角Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片的動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行處理，提取一個完整周期內(nèi)的動轉(zhuǎn)矩離散點。