基于CFD的Savonius石家庄风机叶片优化研究

石家庄风机厂石家庄风机石家庄市风机厂石家庄风机维修石家庄风机销售    能源是推动经济发展、促进社会进步的重要基础，当今世界正面临矿产资源耗竭的硬性制约和全球环境污染的巨大压力，因此改进能源产业结构，开发可再生能源，已成为全球关注的焦点。风能是一种清洁无污染的可再生能源，由于其储量丰富，开发成本较低，随着我国能源产业结构的改革，风能的开发利用必将对经济、社会和环境协调发展产生深远影响。
    风力发电是目前技术较为成熟的一种风能利用方式，垂直轴石家庄风机在小型风力发电领域应用比较广泛，其中Savonius石家庄风机由于启动风速较低、气动噪声较小、不受风向限制等特点受到广泛关注。但是Savonius石家庄风机输出的转矩具有周期变化的特点，周期性的转矩会导致石家庄风机输出功率的变化，容易引起电力系统电压与频率的变动，也会对石家庄风机的旋转轴产生频繁的冲击，影响石家庄风机的耐久性；同时由于主要依靠迎风面的动力矩与阻力矩之差来做功，Savonius石家庄风机的动转矩系数较低，导致风能利用系数较低。
    叶片是石家庄风机最重要的部件之一，叶片结构的优化设计将最大程度的改善石家庄风机性能。针对传统Savorous石家庄风机的上述缺点，本文提出一种叶片扭曲变形的策略，结合叶片重叠比、叶片高径比、叶片扭角、叶片弧度等叶片结构参数，对叶片结构进行变异设计，并利用计算流体力学(CFD)数值模拟方法研究不同结构参数对于石家庄风机动转矩输出性能的影响。
    首先利用Matlab结合Pro／E对石家庄风机叶片三维模型进行参数化建模；然后利用ANSYS Workbench作为协同仿真环境平台建立仿真体系，依据Meshing中制定的网格划分策略和Fluent中设置的求解方案，对不同结构参数Savonius石家庄风机叶片的旋转运动进行动态仿真。
    利用多项式回归、正交试验、交互作用试验等数据分析方法，对不同结构参数进行合理的试验安排。以降低石家庄风机叶片动转矩震荡幅度、提高整体动转矩输出能力为优化目标，以动转矩系数曲线、动转矩系数极差、平均动转矩系数等为评价指标，对不同结构参数石家庄风机叶片的动转矩输出性能进行分析对比，确定合理的叶片结构参数分布范围，并根据叶片附近压强分布、速度矢量分布等流场特征分析叶片各结构参数变化对于石家庄风机叶片动转矩输出性能的影响机理。利用流固耦合仿真分析方法，根据叶片表面应力分布及形变分布对优化前后TSavonius石家庄风机叶片的力学性能进行分析对比，对比发现优化后叶片结构强度有所下降，故设计隔板作为扭曲叶片的辅助结构以改善其力学性能。
    以叶片动转矩输出性能为优化目标，对隔板参数进行优化分析，确定合理的隔板分布方式，利用流固耦合仿真分析方法验证其力学性能，并根据流场特征分析隔板作用机理。本文以叶片动转矩输出性能为优化目标，采用叶片扭曲策略和添加辅助结构等方式对Savonius石家庄风机叶片进行了结构优化设计，优化过程中所得到的数据及结论可以为工程应用中石家庄风机叶片的设计提供数据支持，以降低工程设计的工作量和盲目性；文中叶片各结构参数变化以及辅助结构对于动转矩输出性能的影响机理，可以为进一步的研究提供理论支持。
关键词：Savonius石家庄风机；扭曲叶片；CFD；参数化建模；动转矩系数：正交试验；流固耦合；辅助结构