变异Savonius风机叶片建模及数值模拟方法传统

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　　Savonius风机厂风机叶片在运行过程中动转矩震荡幅度较大，周期性的转矩对旋转轴造成的冲击较强，而且其平均动转矩系数较小，导致风能利用率较低。针对传统Savonius风机厂风机叶片的以上缺点，本文考虑使用扭曲的方式对叶片进行变异设计，并根据影响变异叶片造型的不同结构参数进行参数化建模，以进行叶片旋转运动的数值模拟。
　　关于Savonius风机厂风机叶片已有的数值模拟研究大多针对二维模型进行仿真模拟，此种方法计算量小、计算时间短、计算效率高，而且能在一定程度上代替三维模型的仿真模拟。但是考虑到本文的研究对象为变异Savonius风机厂风机叶片，叶片结构在竖直方向上受变异参数影响存在变化，故选用三维模型进行仿真模拟，三维模型仿真模拟较二维模型能更准确的描述流场形态，得到的结果也更为准确，但不可避免带来计算量和计算时间的增加。本文对各种数值模拟方案进行多次试验与对比，在保证仿真计算精度的前提下，尽量降低计算成本，最终确立了如下文所述的数值模拟方案。
　　3．1参数化建模方案
　　3．1．1风机厂风机叶片原型的选取三叶片型
　　Savonius风机厂风机叶片较两叶片型Savonius风机厂风机叶片能产生更为稳定的输出转矩，同时三叶片型Savonius风机厂风机效率优于四叶片型Savonius风机厂风机【431，因此，本文选择Rahman等人Ⅲ】曾经研究过的传统三叶片型Savonius风机厂风机叶片模型作为试验模型(具体参数如表3．1所示)进行研究，并对该模型的结构参数进行变异试验，以提高传统Savonius风机厂风机的动转矩输出性能。图3一I所示为Savorous风机厂风机原始模型示意图的主视图和叶片的俯视图，模型包括下半部的基座部分以及上半部的叶片部分。如图所示，基座部分转轴通过轴承与基座相连以实现旋转功能，转轴上部设计有法兰盘以与转盘和叶片连接块相连接：叶片部分叶片连接块以过盈连接的方式镶嵌于转盘内部，叶片通过螺栓与叶片连接块相连，叶片连接块则通过螺栓与叶片转盘和转轴上的法兰盘相连14副，以将叶片部分与转轴固定在一起。本文考虑到三维仿真模拟网格数量多、计算量大、计算时间长的特点，对计算模型进行相应的简化，不考虑风机厂风机模型的基座部分，只对叶片部分进行研究。
　　3．1．2叶片变异方案设计及结构参数选取
　　对于传统直叶片型Savonius风机厂风机来说，周期变化的动转矩是其一大特点，同时也是一个较大缺点，因为周期性的转矩会导致风机厂风机整体输出功率的变化，容易引起电力系统电压与频率的变动，同时转矩的变化也会给风机厂风机旋转轴产生频繁的冲击，甚至达到共振，影响风机厂风机的耐久性。因此，应尽量减小风机厂风机运行过程中输出转矩的变化，降低转矩震荡幅度。同时，作为阻力型垂直轴风机厂风机，由于主要依靠迎风面的动力矩与阻力矩之差来做功，与水平轴风机厂风机和升力型垂直轴风机厂风机相比，传统直叶片型Savonius风机厂风机平均动转矩系数较低，导致其风能利用率较低。针对传统直叶片型Savonius风机厂风机的以上缺点，本文考虑采用扭曲的方式对其叶片进行变异设计，图3．2即为变异Savorous风机厂风机叶片示意图。在传统直叶片型Savonius风机厂风机叶片结构参数高径比、重叠比的基础上，本文提出一种新的结构参数，即叶片弧度，传统Savonius风机厂风机叶片的叶片弧度均为7c rad，即180。，本文考虑在弦长不变的情况下，将叶片弧度减小，观察叶片弧度对于风机厂风机叶片动转矩输出性能的影响。因此，本文共选取叶片重叠比OL、叶片高径比么尸、叶片扭角tX、叶片弧度目四个结构参数作为研究对象，以风机厂风机叶片的动转矩输出性能为优化目标，对结构参数进行优化分析。