垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析目錄TOC\o"1-3"\h\u28452垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析 115462第1章數(shù)值模擬 131321.1簡化模型 1247281.2網(wǎng)格劃分 161041.3邊界條件 254571.1.1入口處邊界條件 2129701.1.2出口邊界條件 3232991.1.3定義運(yùn)動壁面 3234901.4收斂性判斷 315190第2章數(shù)值結(jié)果與分析 4188362.1速度云圖 4247312.2壓力云圖 6154102.3力矩 7第1章數(shù)值模擬1.1簡化模型垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)包括很多，如：葉輪、電路系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)等。本文主要研究葉片表面的流動情況，所以只需要考慮葉輪中葉片部分的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。所以本試驗(yàn)只需對創(chuàng)建葉片2維模型。1.2網(wǎng)格劃分本章主要研究8米每秒的均勻來流風(fēng)速的條件下垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片表面及尾跡的流動特征?？梢詫㈦p葉片風(fēng)力機(jī)流場2維模型劃分為三部分，分別是風(fēng)場域、葉片旋轉(zhuǎn)域和葉片域。在風(fēng)場域中是設(shè)定整個(gè)過程的邊界條件，根據(jù)已知可得邊界條件只需要設(shè)置進(jìn)口風(fēng)速和出口壓力。葉片處于不同位置時(shí)流場的變化可以用葉片旋轉(zhuǎn)域模擬。不同葉片以及他們的組合狀態(tài)可以使用葉片域進(jìn)行模擬。網(wǎng)格如圖3-1所示。圖3SEQ圖表\*ARABIC\s11網(wǎng)格1.3邊界條件邊界條件是求解域邊界上所求的變量隨時(shí)間的發(fā)生的改變。確定的定邊界條件，才能夠有明確的解［22］。在求解CFD問題中，邊界條件的給定至關(guān)重要，具體邊界條件設(shè)定如下：1.1.1入口處邊界條件入口邊界條件是指在進(jìn)口處規(guī)定的一些參數(shù)。本試驗(yàn)只需要設(shè)置速度入口，給定來流風(fēng)速8m/s，規(guī)定湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為1m。1.1.2出口邊界條件出口邊界條件包括壓力出口邊界等參數(shù)。本試驗(yàn)只進(jìn)行壓力出口邊界條件的設(shè)定，壓力邊界條件是指模型的出口靜壓，本試驗(yàn)出口靜壓規(guī)定為0Pa,同樣規(guī)定湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為1m。1.1.3定義運(yùn)動壁面對四個(gè)葉輪面的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行規(guī)定。如圖3-2所示，設(shè)置四個(gè)葉輪面相對于相鄰區(qū)域是旋轉(zhuǎn)的并且轉(zhuǎn)動速度與周圍流體區(qū)域的轉(zhuǎn)動速度相同，保持相對靜止。1.4收斂性判斷數(shù)值模擬計(jì)算是否準(zhǔn)確可靠，收斂新是一個(gè)很重要的盤踞，只有結(jié)果最終收斂，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果才有意義。穩(wěn)態(tài)求解有三種方法［20］判別是否收斂：（1）當(dāng)殘差收斂曲線降低至所設(shè)置的收斂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，認(rèn)為其收斂；（2）監(jiān)視物理量。當(dāng)物理量曲線逐漸趨于穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為其收斂；（3）查看邊界通量是否達(dá)到平衡。本次數(shù)值模擬的殘差圖如圖3-2所示。圖3SEQ圖表\*ARABIC\s12殘差圖根據(jù)上圖發(fā)現(xiàn)動量方程曲線、x軸方向速度曲線、y軸方向速度曲線都在大約迭代到550步后趨于穩(wěn)定；k方程曲線和ε方程曲線趨于穩(wěn)定大約在350步之后。根據(jù)上述三種判斷方法中的第二種，認(rèn)為此次迭代達(dá)到收斂。第2章數(shù)值結(jié)果與分析2.1速度云圖圖4-1是整個(gè)計(jì)算區(qū)域的速度分布圖，從圖中可以看出葉片A周圍的流速明顯大于來流風(fēng)的流速的流速，而葉片C周圍的流速明顯小于來流風(fēng)的流速，再觀察圖葉片A和葉片C發(fā)現(xiàn)葉片A幾乎與來流風(fēng)平行，而葉片C與來流風(fēng)幾乎垂直。在觀察葉片B與葉片D，發(fā)現(xiàn)葉片B與葉片D周圍的流速幾乎不變。根據(jù)垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作原理可以解釋，在葉片A處風(fēng)能幾乎不會轉(zhuǎn)換成葉片的機(jī)械能，而在葉片C處絕大數(shù)的風(fēng)能都轉(zhuǎn)換成了葉片的機(jī)械能，這也就就說明了垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動動力主要是來源于垂直于來流風(fēng)的葉片。圖4SEQ圖表\*ARABIC\s11計(jì)算域速度分布圖4-2是各葉片周圍速度分布圖，觀察葉片A、葉片B和葉片D對比發(fā)現(xiàn)，在葉片下翼面的流速要大于上翼面的流速。根據(jù)圖4-1和圖4-2可以看在在每個(gè)葉片后都有一片尾跡區(qū)，根據(jù)四個(gè)葉片對比發(fā)現(xiàn)，尾跡區(qū)的大小和葉片域來流風(fēng)與葉片之間的角度有關(guān)：與來流風(fēng)越接近于平行，尾跡區(qū)越??；與來流風(fēng)越接近于垂直，尾跡區(qū)越大。

風(fēng)向風(fēng)向葉片B周圍速度分布葉片B周圍速度分布葉片A周圍速度分布葉片D周圍速度分布葉片D周圍速度分布葉片C周圍速度分布圖4-2各葉片周圍速度分布2.2壓力云圖圖4-2各葉片周圍速度分布根據(jù)圖3-5整個(gè)計(jì)算區(qū)域的壓力分布圖，從圖中可以看出葉片A受到的壓力幾乎都處于葉片的前緣端和后緣端這兩點(diǎn)處；葉片B與葉片D的上下表面基本不受力；而整個(gè)高壓力基本上都作用與葉片C周圍。由此也可以證明垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動動力主要是來源于垂直于來流風(fēng)的葉片。圖圖4-3計(jì)算域壓力分布2.3力矩表4-1是四個(gè)葉輪面wall-blade-ypos（A）、wall-blade-xneg（B）、wall-blade-yneg（C）、wall-blade-xpos（D）的力矩。根據(jù)表4-1中的數(shù)據(jù)可以看出四個(gè)葉輪面的力矩主要取決于來流風(fēng)作用于葉輪面的壓力。通過表格發(fā)現(xiàn)四個(gè)葉輪面中葉輪面wall-blade-yneg（C）的力矩最大，這同樣可以證明垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動動力主要是來源于垂直于來流風(fēng)的葉片。在觀察其他三個(gè)葉輪面力的矩?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，葉輪面wall-blade-xneg（B）上也會受到一個(gè)壓力，說明葉輪面wall-blade-xneg（B）同樣會對垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動起到一定的作用；而葉輪面wall-blade-ypos（A）和wall-blade-xpos（D）的力矩是負(fù)數(shù)，說明葉輪面wall-blade-ypos（A）和wall-blade-xpos（D）對垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動不僅沒有起到作用，反而還抑制了垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動。Moments-MomentCenter(0,0,0)MomentAxis(0,0,1)zonePressureViscousTotalwall-blade-ypos（A）-2.2214341-0.17425659-2.3956907wall-blade-xneg（B）1.1143314-0.0100518231.1243832wall