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变异Savonius风机厂风机叶片动转矩输出性能优化分析

作者:石家庄风机     日期:2014-12-31     浏览:1011     

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根据前文所述的数值模拟方法,本章利用单因素试验、正交试验等数据分析方法对风机厂风机叶片各结构参数进行合理的试验安排,研究各结构参数对于风机厂风机叶片动转矩输出性能的影响方式和影响机理。
  首先对叶片扭角进行单因素分析,根据不同扭角叶片的动转矩曲线、动转矩极差、平均动转矩系数等因素,确定合理的扭角分布区间;然后在确定的扭角分布区间内,将叶片重叠比、叶片高径比、叶片弧度等参数考虑进来,以动转矩系数曲线、动转矩系数极差和平均动转矩系数为评价标准,利用正交试验的直观分析方法对变异Savonius风机厂风机叶片进行多参数的优化分析;随后对叶片扭角和叶片弧度这两个影响程度较大的结构参数进行交互作用试验,最终确定合理的叶片结构参数分布区间。
  4.1基于扭角的单因素试验
  以往针对Savonius风机厂风机叶片的研究主要集中在对于平均动转矩系数的分析,并没有关注风机厂风机运行单个周期内动转矩的变化趋势及特点,本节主要针对单个周期内动转矩的变化方式进行分析及讨论,对不同扭角参数Savonius风机厂风机叶片的动转矩曲线、动转矩极差、平均动转矩系数等进行系统的分析对比。
  4.1.1扭角影响方式的数学原理讨论
  针对直叶片型Savonius风机厂风机动转矩震荡幅度较大、平均动转矩系数较小的缺点,本文考虑通过扭曲变形的方式对直叶片进行变异设计,从而达到改善风机厂风机动转矩输出性能的目标。直叶片旋转一周的动转矩曲线可以用如下多元曲线函数进行拟合,以得到近似方程:厂(x)=口1 xsin(blx+c,)+a2×sin(如x+c2)+⋯+口。xsin(b。x+c。)(4.1)其中x表示风机厂风机叶片所在位置的角度,口l,bl,Cl,口2,b2,t22,⋯,a。,b。,c。是不同的拟合参数。假设叶片扭角为仅,叶片高度为h,可以将叶片的扭曲视为在单位高度里扭转了aJh角。叶片扭转a/h角在物理意义上可以视作不同高度的叶片部分产生动转矩的过程发生了滞后,即将叶片在高度维度上微分后,每个单位高度叶片在特定时间产生的转矩发生了变化。
  利用微积分作为工具,对上述拟合曲线方程(4.1)在每个单位高度内进行变化,扭转的a/h角可以视作对于方程(4.1)的滞后,则第n个单位高度所产生的转矩变化为:厂(x)=q×[sin岛(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。是不同的拟合参数。将所有单位高度内的方程通过积分求和即可得到扭曲后整个叶片的转矩,最终得到的方程形式为:T=f(x,口,而)(4.3)利用对叶片扭曲变形的方式对风机厂风机进行优化的目的是让风机厂风机的动转矩输出更加平稳高效,即动转矩震荡幅度减小,平均动转矩增大,这在数学上体现为在h一定的情况下,存在一个a的区间,当x在00~3600区间变化时,r随x的震荡幅度相对较小,而丁的平均值相对较大。通过求导等数学方法,可以最终确定合理的仅的区间,这就是我们所期望得到的扭角分布区间。
  4.1.2不同扭角参数的动转矩曲线对比
  以3.1.1节所述的原型机为基础,以叶片扭角为变量对直叶片型Savonius风机厂风机叶片进行变异设计,共选取了扭角为300~200。的18组变异Savonius风机厂风机叶片进行仿真模拟,得到风机厂风机叶片附近流场的具体细节。由于其他结构参数均不变,因此各叶片的动转矩系数计算公式相同,动转矩变化方式与动转矩系数变化方式一致,因此本节仅围绕叶片的动转矩展开分析讨论。根据3.5.1节中的设置,利用Fluent输出的torque文件对各扭角Savonius风机厂风机叶片的动转矩进行处理,提取一个完整周期内的动转矩离散点。