升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性的多維度解析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義在全球能源需求持續(xù)增長以及環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的大背景下，能源轉(zhuǎn)型已成為世界各國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。傳統(tǒng)化石能源，如煤炭、石油和天然氣，不僅儲量有限，面臨著日益枯竭的困境，而且在使用過程中會產(chǎn)生大量的污染物，如二氧化碳、氮氧化物和顆粒物等，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，引發(fā)了全球氣候變暖、酸雨等一系列環(huán)境問題。據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)顯示，全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量在過去幾十年中持續(xù)攀升，給生態(tài)系統(tǒng)和人類社會帶來了巨大的壓力。為了應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境挑戰(zhàn)，世界各國紛紛加大對可再生能源的開發(fā)和利用力度。風(fēng)能作為一種清潔、可再生的能源，具有儲量豐富、分布廣泛、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要方向之一。根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2024年，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已超過800GW，并且仍保持著較高的增長速度。風(fēng)力發(fā)電在全球能源結(jié)構(gòu)中的占比逐年提高，為減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴、降低碳排放做出了重要貢獻(xiàn)。風(fēng)力機(jī)作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接影響著風(fēng)力發(fā)電的效率和成本。目前，風(fēng)力機(jī)主要分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩大類型。水平軸風(fēng)力機(jī)由于其技術(shù)成熟、風(fēng)能利用率高，在大型風(fēng)力發(fā)電場中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，水平軸風(fēng)力機(jī)也存在一些不足之處，例如其對風(fēng)向變化較為敏感，需要配備復(fù)雜的調(diào)向裝置來確保風(fēng)輪始終正對風(fēng)向，這增加了設(shè)備的成本和復(fù)雜性；此外，水平軸風(fēng)力機(jī)的齒輪箱和發(fā)電機(jī)通常安裝在高空，維護(hù)和檢修難度較大，成本較高。相比之下，垂直軸風(fēng)力機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線垂直于地面，能夠接收來自任意方向的風(fēng)，無需調(diào)向裝置，大大簡化了結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本和維護(hù)難度。其次，垂直軸風(fēng)力機(jī)的齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面上，便于維護(hù)和檢修，提高了設(shè)備的可靠性和可維護(hù)性。再者，垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片受力較為均勻，在低風(fēng)速環(huán)境下具有較好的啟動性能，適用于城市、山區(qū)等地形復(fù)雜、風(fēng)速較低且風(fēng)向多變的地區(qū)。這些優(yōu)勢使得垂直軸風(fēng)力機(jī)在分布式發(fā)電、小型離網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，成為了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。垂直軸風(fēng)力機(jī)根據(jù)其工作原理和結(jié)構(gòu)形式的不同，可進(jìn)一步分為阻力型、升力型和升阻復(fù)合型三種類型。阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，如Savonius型風(fēng)力機(jī)，主要依靠風(fēng)對葉片的阻力來驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)簡單，啟動力矩較大，但在高轉(zhuǎn)速下的風(fēng)能利用率較低，一般不超過30%。升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，以Darrieus型和H型為代表，通過翼型產(chǎn)生的升力來驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，風(fēng)能利用系數(shù)較高，可達(dá)0.4以上，但靜止啟動力矩較小，通常需要借助外力將風(fēng)輪提升至一定轉(zhuǎn)速或在較高風(fēng)速下才能啟動。為了綜合利用阻力型和升力型風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，克服它們各自的缺點(diǎn)，升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)合了阻力型和升力型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在啟動階段利用阻力型葉片提供較大的啟動力矩，使風(fēng)輪能夠迅速啟動；在運(yùn)行階段，升力型葉片發(fā)揮主要作用，提高風(fēng)能利用率，從而實(shí)現(xiàn)了更好的氣動性能和發(fā)電效率。然而，目前升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究仍處于發(fā)展階段，其氣動特性較為復(fù)雜，涉及到多種因素的相互作用，如葉片形狀、葉片數(shù)量、葉片安裝角度、尖速比、風(fēng)速等。不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行條件會對風(fēng)力機(jī)的啟動力矩、風(fēng)能利用率、功率輸出等氣動性能產(chǎn)生顯著影響。深入研究升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動特性，揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制和影響規(guī)律，對于優(yōu)化風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)、提高其性能具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過對氣動特性的研究，可以為風(fēng)力機(jī)的葉片設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，從而提高風(fēng)力機(jī)的啟動性能、風(fēng)能利用效率和發(fā)電穩(wěn)定性，降低風(fēng)力發(fā)電的成本，促進(jìn)垂直軸風(fēng)力機(jī)在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究歷史悠久，早在20世紀(jì)初，就有學(xué)者開始對其進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)探索。隨著能源危機(jī)的加劇和環(huán)保意識的增強(qiáng)，垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究在近年來得到了更為廣泛的關(guān)注和深入的開展。國內(nèi)外學(xué)者針對升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動特性開展了大量研究，取得了一系列有價(jià)值的成果。在國外，眾多學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等多種方法，對升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)展開了深入探究。在數(shù)值模擬方面，XinweiZhang等學(xué)者采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，對一種新型升阻復(fù)合垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能進(jìn)行了模擬分析。通過建立詳細(xì)的三維模型，模擬了不同工況下風(fēng)力機(jī)的流場特性，深入研究了葉片形狀、葉片數(shù)量、葉片安裝角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)力機(jī)啟動力矩、風(fēng)能利用率等氣動性能指標(biāo)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，優(yōu)化葉片形狀和安裝角度可以顯著提高風(fēng)力機(jī)的啟動性能和能量轉(zhuǎn)換效率，為風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)研究方面，M.R.Alam等學(xué)者設(shè)計(jì)并制作了一種由H型（升力型）風(fēng)力機(jī)和兩葉片S型風(fēng)力機(jī)組合而成的垂直軸風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，測量了不同風(fēng)速和尖速比下風(fēng)力機(jī)的啟動力矩、輸出功率等性能參數(shù)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該組合型風(fēng)力機(jī)具有較高的啟動力矩和風(fēng)能利用率，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程中存在的一些問題，如葉片振動和噪聲等，為后續(xù)的研究提供了方向。國內(nèi)在升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)領(lǐng)域的研究也取得了顯著進(jìn)展。蔡新等學(xué)者考慮S型與H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，并采用CFD法計(jì)算其啟動與氣動性能。研究結(jié)果表明，新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)在不同方位角下的啟動力矩均大于原始H型風(fēng)力機(jī)，最小及最大值分別提升232％和83.3％，展現(xiàn)出了更好的啟動性能；S型風(fēng)輪輸出功率隨葉片重疊比增加而減小，完全重疊時(shí)輸出功率基本為0，這一發(fā)現(xiàn)為S型風(fēng)輪的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要參考；新型升阻混合型垂直軸風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用率為0.298，雖然風(fēng)能利用率有待進(jìn)一步提高，但也為后續(xù)的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。王景元對升阻組合式垂直軸風(fēng)輪的氣動性能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行條件對風(fēng)輪氣動性能的影響，提出了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為提高升阻組合式垂直軸風(fēng)輪的性能提供了有益的思路。盡管國內(nèi)外在升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究方面已經(jīng)取得了一定的成果，但目前的研究仍存在一些不足之處。在研究方法上，數(shù)值模擬雖然能夠提供詳細(xì)的流場信息和性能預(yù)測，但計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和可靠性仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證；實(shí)驗(yàn)研究雖然能夠獲得真實(shí)的性能數(shù)據(jù)，但實(shí)驗(yàn)條件往往受到限制，難以全面模擬實(shí)際運(yùn)行工況。在研究內(nèi)容上，對于升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的內(nèi)部流動機(jī)理和多物理場耦合效應(yīng)的研究還不夠深入，缺乏對復(fù)雜流動現(xiàn)象的深入理解和理論解釋。此外，目前的研究主要集中在特定結(jié)構(gòu)和工況下的性能分析，缺乏對不同結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行條件的系統(tǒng)性研究，難以形成通用的設(shè)計(jì)理論和方法。綜上所述，現(xiàn)有研究在升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動特性研究方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些空白和不足。本研究將在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析等方法，深入研究升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動特性，揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制和影響規(guī)律，為風(fēng)力機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提升提供更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動特性，具體研究內(nèi)容如下：風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)與原理分析：詳細(xì)剖析升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括阻力型葉片和升力型葉片的形狀、尺寸、安裝位置及連接方式等；深入研究其工作原理，明確在不同風(fēng)速和工況下，阻力型葉片和升力型葉片如何協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的啟動、運(yùn)行和能量轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的氣動特性研究奠定基礎(chǔ)。影響氣動特性的因素研究：全面分析葉片形狀、葉片數(shù)量、葉片安裝角度、尖速比、風(fēng)速等因素對升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性的影響。通過改變這些因素的數(shù)值，系統(tǒng)地研究它們對風(fēng)力機(jī)啟動力矩、風(fēng)能利用率、功率輸出、葉片受力分布等氣動性能指標(biāo)的影響規(guī)律，揭示各因素之間的相互作用關(guān)系，為風(fēng)力機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。流場特性分析：運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量等方法，深入研究升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場特性，包括風(fēng)輪周圍的速度場、壓力場、流線分布以及漩渦的產(chǎn)生、發(fā)展和脫落等現(xiàn)象。通過對流場特性的分析，進(jìn)一步理解風(fēng)力機(jī)內(nèi)部的流動機(jī)制，明確氣動性能與流場結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為提高風(fēng)力機(jī)的性能提供理論指導(dǎo)。性能優(yōu)化與對比分析：基于上述研究結(jié)果，提出升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能優(yōu)化方案，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行條件，提高風(fēng)力機(jī)的啟動力矩、風(fēng)能利用率和功率輸出等性能指標(biāo)。同時(shí)，將優(yōu)化后的風(fēng)力機(jī)與傳統(tǒng)的阻力型、升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)以及其他類型的升阻復(fù)合垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行性能對比分析，評估優(yōu)化方案的有效性和優(yōu)勢，突出本研究中風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)和性能提升。1.3.2研究方法為了實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將綜合運(yùn)用以下研究方法：數(shù)值模擬方法：采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、OpenFOAM等，建立升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的三維數(shù)值模型。通過設(shè)置合理的邊界條件和求解參數(shù)，模擬不同工況下風(fēng)力機(jī)的流場特性和氣動性能。利用數(shù)值模擬方法，可以獲得詳細(xì)的流場信息和性能預(yù)測結(jié)果，深入研究各種因素對風(fēng)力機(jī)氣動特性的影響規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)研究和理論分析提供參考依據(jù)。同時(shí)，通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，還可以優(yōu)化風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，提高其性能。實(shí)驗(yàn)研究方法：設(shè)計(jì)并制作升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，搭建?shí)驗(yàn)平臺，包括風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，測量不同風(fēng)速和工況下風(fēng)力機(jī)的啟動力矩、輸出功率、葉片表面壓力分布等性能參數(shù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)研究可以獲得真實(shí)的性能數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)一些數(shù)值模擬難以捕捉到的現(xiàn)象和問題，為理論分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，實(shí)驗(yàn)研究還可以為風(fēng)力機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，評估其在不同環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)。理論分析方法：運(yùn)用空氣動力學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)理論，對升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動特性進(jìn)行理論分析。建立風(fēng)力機(jī)的氣動性能計(jì)算模型，推導(dǎo)相關(guān)的計(jì)算公式和理論模型，如葉片的升力和阻力計(jì)算公式、風(fēng)能利用率的理論表達(dá)式等。通過理論分析，可以深入理解風(fēng)力機(jī)的工作原理和氣動特性的內(nèi)在機(jī)制，為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，同時(shí)也可以對研究結(jié)果進(jìn)行理論解釋和分析。此外，理論分析還可以為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)，提出一些基于理論的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和優(yōu)化方法。二、升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)概述2.1工作原理升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)巧妙地融合了阻力型和升力型風(fēng)力機(jī)的工作原理，以實(shí)現(xiàn)更高效的風(fēng)能捕獲和轉(zhuǎn)換。其工作過程可分為啟動階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段，在不同階段，阻力型葉片和升力型葉片發(fā)揮著不同的作用，兩者相互配合，共同完成風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。在啟動階段，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)力機(jī)主要依靠阻力型葉片來提供啟動力矩。阻力型葉片通常采用結(jié)構(gòu)簡單且具有較大阻力系數(shù)的形狀，如常見的S型葉片。以典型的S型阻力葉片為例，當(dāng)風(fēng)作用于S型葉片時(shí)，由于葉片的特殊形狀，風(fēng)在葉片兩側(cè)形成了明顯的壓力差。在迎風(fēng)面，風(fēng)的流速相對較慢，壓力較高；而在背風(fēng)面，風(fēng)的流速較快，壓力較低。這種壓力差產(chǎn)生了一個(gè)推動葉片旋轉(zhuǎn)的阻力，使得風(fēng)輪能夠克服初始的靜摩擦力開始轉(zhuǎn)動。根據(jù)空氣動力學(xué)原理，阻力的大小與風(fēng)速的平方成正比，與葉片的面積和阻力系數(shù)也密切相關(guān)。在低風(fēng)速條件下，雖然阻力相對較小，但由于S型葉片的設(shè)計(jì)能夠有效地利用這種阻力，從而為風(fēng)力機(jī)提供了必要的啟動力矩，使風(fēng)輪能夠順利啟動。隨著風(fēng)速逐漸增加，當(dāng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度后，升力型葉片開始發(fā)揮主要作用，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。升力型葉片一般采用翼型設(shè)計(jì)，如常見的NACA系列翼型。當(dāng)風(fēng)以一定的攻角流過翼型葉片時(shí)，根據(jù)伯努利原理，在翼型的上表面，氣流流速加快，壓力降低；在翼型的下表面，氣流流速相對較慢，壓力較高。這種上下表面的壓力差產(chǎn)生了一個(gè)垂直于氣流方向的升力，推動葉片旋轉(zhuǎn)。升力的大小與風(fēng)速、攻角、翼型的升力系數(shù)以及葉片面積等因素有關(guān)。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，升力型葉片能夠在較高的風(fēng)速下保持較高的風(fēng)能利用效率，通過不斷地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為葉片的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，帶動風(fēng)輪持續(xù)穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動。在整個(gè)工作過程中，阻力型葉片和升力型葉片并非完全獨(dú)立工作，而是相互協(xié)同配合。在啟動初期，阻力型葉片迅速使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動起來，為升力型葉片的工作創(chuàng)造條件。當(dāng)升力型葉片開始起主導(dǎo)作用后，阻力型葉片雖然不再是主要的驅(qū)動力來源，但它們?nèi)匀粚︼L(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)起到一定的輔助作用，例如幫助穩(wěn)定風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速、調(diào)整風(fēng)輪的受力分布等。同時(shí)，升力型葉片的高效工作也減輕了阻力型葉片的負(fù)擔(dān)，使得風(fēng)力機(jī)能夠在更廣泛的風(fēng)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了風(fēng)力機(jī)的整體性能和可靠性。2.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合了阻力型和升力型兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，各部件之間相互配合，共同實(shí)現(xiàn)高效的風(fēng)能轉(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)主要由葉片、輪轂、轉(zhuǎn)軸、支撐結(jié)構(gòu)等部分組成，每個(gè)部分都具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以滿足風(fēng)力機(jī)在不同工況下的運(yùn)行需求。葉片作為風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)對風(fēng)力機(jī)的性能起著決定性作用。升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片通常包括阻力型葉片和升力型葉片兩種類型，兩者在形狀、尺寸和安裝方式上存在明顯差異。阻力型葉片一般采用S型或半圓桶型等結(jié)構(gòu)，以增加風(fēng)對葉片的阻力，從而產(chǎn)生較大的啟動力矩。以常見的S型阻力葉片為例，其形狀類似于兩個(gè)半圓桶背對背拼接而成，這種形狀使得葉片在迎風(fēng)時(shí)能夠形成較大的壓力差，進(jìn)而產(chǎn)生較大的阻力。S型葉片的表面通常較為光滑，以減小風(fēng)的摩擦阻力，提高風(fēng)能利用效率。同時(shí)，為了增強(qiáng)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，S型葉片一般采用厚度較大的材料制作，如鋁合金或碳纖維復(fù)合材料等。在尺寸方面，S型葉片的長度和寬度通常根據(jù)風(fēng)力機(jī)的整體設(shè)計(jì)和應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化，以確保在啟動階段能夠提供足夠的啟動力矩。升力型葉片則多采用翼型設(shè)計(jì)，如NACA系列翼型或DU系列翼型等，這些翼型具有良好的升力特性，能夠在高風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)高效的風(fēng)能轉(zhuǎn)換。以NACA4412翼型為例，其具有中等厚度比和正彎度，在一定的攻角范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生較大的升力系數(shù)和較小的阻力系數(shù)。升力型葉片的表面通常經(jīng)過精細(xì)加工，以提高表面光潔度，減小氣流的分離和阻力。在材料選擇上，升力型葉片多采用輕質(zhì)高強(qiáng)度的材料，如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以減輕葉片的重量，提高葉片的強(qiáng)度和剛度。此外，升力型葉片的長度和寬度通常根據(jù)風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)功率和運(yùn)行風(fēng)速進(jìn)行優(yōu)化，以確保在穩(wěn)定運(yùn)行階段能夠充分發(fā)揮其升力優(yōu)勢。輪轂是連接葉片和轉(zhuǎn)軸的重要部件，它不僅要承受葉片傳來的各種載荷，還要確保葉片能夠圍繞轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的輪轂設(shè)計(jì)通常較為復(fù)雜，以適應(yīng)阻力型葉片和升力型葉片的不同安裝要求。輪轂一般采用高強(qiáng)度的金屬材料，如鋁合金或合金鋼等，通過鑄造或鍛造工藝制成。為了保證葉片的安裝精度和穩(wěn)定性，輪轂上通常設(shè)置有專門的葉片安裝座，安裝座的形狀和尺寸與葉片根部相匹配，通過螺栓或其他連接件將葉片牢固地固定在輪轂上。此外，輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要考慮到氣流的流動特性，盡量減小氣流在輪轂處的阻力和紊流，以提高風(fēng)力機(jī)的整體效率。轉(zhuǎn)軸是傳遞扭矩的核心部件，它將風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)換。升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸通常采用高強(qiáng)度的合金鋼材料，如40Cr或42CrMo等，以確保其具有足夠的強(qiáng)度和剛度來承受風(fēng)輪的巨大扭矩和各種復(fù)雜的載荷。轉(zhuǎn)軸的直徑和長度根據(jù)風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)功率和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行優(yōu)化，一般來說，功率越大，轉(zhuǎn)軸的直徑和長度也相應(yīng)越大。在轉(zhuǎn)軸的兩端，通常安裝有軸承，以減少轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力和磨損，保證轉(zhuǎn)軸能夠平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，為了防止灰塵、水分等雜質(zhì)進(jìn)入軸承，影響其正常工作，還需要在軸承處設(shè)置密封裝置。支撐結(jié)構(gòu)是保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，它主要包括塔架和基礎(chǔ)兩部分。塔架通常采用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)，其高度和強(qiáng)度根據(jù)風(fēng)力機(jī)的安裝位置和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行確定。在風(fēng)速較高的地區(qū)，塔架需要具有足夠的高度，以獲取更穩(wěn)定的風(fēng)能資源，同時(shí)也要具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以抵御強(qiáng)風(fēng)的作用?；A(chǔ)則是將塔架固定在地面上的結(jié)構(gòu)，它需要承受風(fēng)力機(jī)的全部重量和各種外力的作用。基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)通常根據(jù)地質(zhì)條件和風(fēng)力機(jī)的載荷情況進(jìn)行優(yōu)化，常見的基礎(chǔ)形式有混凝土基礎(chǔ)、鋼筋混凝土基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)等。為了確?；A(chǔ)的穩(wěn)定性，還需要在基礎(chǔ)周圍設(shè)置適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，如排水系統(tǒng)和護(hù)坡等。2.3與其他類型風(fēng)力機(jī)對比升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)在啟動性能、風(fēng)能利用效率等方面與水平軸風(fēng)力機(jī)和其他類型垂直軸風(fēng)力機(jī)存在顯著差異，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。通過對比分析，能夠更清晰地認(rèn)識其特點(diǎn)和性能，為其在不同場景下的應(yīng)用提供參考依據(jù)。與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)在啟動性能上具有明顯優(yōu)勢。水平軸風(fēng)力機(jī)的啟動需要較大的啟動力矩，且對風(fēng)向變化較為敏感，在低風(fēng)速和風(fēng)向不穩(wěn)定的情況下，啟動較為困難。而升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)由于配備了阻力型葉片，在低風(fēng)速時(shí)能夠利用阻力型葉片產(chǎn)生較大的啟動力矩，迅速克服初始靜摩擦力實(shí)現(xiàn)啟動。例如，在風(fēng)速為3m/s的情況下，某型號的升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)能夠順利啟動，而相同條件下的水平軸風(fēng)力機(jī)則難以啟動。在風(fēng)能利用效率方面，水平軸風(fēng)力機(jī)在高風(fēng)速和穩(wěn)定風(fēng)向條件下，能夠通過優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)和調(diào)整風(fēng)輪角度，實(shí)現(xiàn)較高的風(fēng)能利用率，其風(fēng)能利用系數(shù)可達(dá)0.5以上。然而，在復(fù)雜地形和風(fēng)向多變的環(huán)境中，水平軸風(fēng)力機(jī)需要頻繁調(diào)整風(fēng)輪方向，這會導(dǎo)致能量損失，降低風(fēng)能利用效率。升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線垂直于地面，無需調(diào)向裝置，能夠接收來自任意方向的風(fēng)，在復(fù)雜地形和風(fēng)向多變的環(huán)境中具有更好的適應(yīng)性。雖然其在高風(fēng)速下的風(fēng)能利用系數(shù)略低于水平軸風(fēng)力機(jī)，但在低風(fēng)速和風(fēng)向不穩(wěn)定的情況下，能夠保持相對穩(wěn)定的風(fēng)能利用效率，總體性能表現(xiàn)更為均衡。在結(jié)構(gòu)和維護(hù)方面，水平軸風(fēng)力機(jī)的齒輪箱和發(fā)電機(jī)通常安裝在高空，維護(hù)和檢修難度較大，成本較高。而且，水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片較長，容易受到強(qiáng)風(fēng)、雷擊等自然災(zāi)害的損壞，需要定期進(jìn)行檢查和維護(hù)。相比之下，升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面上，便于維護(hù)和檢修，降低了維護(hù)成本和風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，其葉片較短，結(jié)構(gòu)相對簡單，受到自然災(zāi)害損壞的概率較低，可靠性更高。與其他類型的垂直軸風(fēng)力機(jī)相比，升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)在啟動性能和綜合性能上也具有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)的阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，如Savonius型風(fēng)力機(jī)，雖然啟動力矩較大，但在高轉(zhuǎn)速下的風(fēng)能利用率較低，一般不超過30%。這是因?yàn)樽枇π腿~片在高轉(zhuǎn)速下受到的空氣阻力急劇增加，導(dǎo)致能量損失增大，風(fēng)能利用效率降低。升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，如Darrieus型和H型風(fēng)力機(jī)，風(fēng)能利用系數(shù)較高，可達(dá)0.4以上，但靜止啟動力矩較小，通常需要借助外力將風(fēng)輪提升至一定轉(zhuǎn)速或在較高風(fēng)速下才能啟動。在實(shí)際應(yīng)用中，這種啟動方式限制了升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的使用范圍，特別是在低風(fēng)速地區(qū)和需要頻繁啟動的場景中。升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)則綜合了阻力型和升力型風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在啟動階段利用阻力型葉片提供較大的啟動力矩，使風(fēng)輪能夠迅速啟動；在運(yùn)行階段，升力型葉片發(fā)揮主要作用，提高風(fēng)能利用率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，某升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動力矩比相同規(guī)格的升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)提高了50%以上，在低風(fēng)速下能夠快速啟動并穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，其風(fēng)能利用系數(shù)比阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)提高了20%以上，在高風(fēng)速下也能保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了更好的綜合性能。三、氣動特性研究方法3.1數(shù)值模擬方法3.1.1CFD軟件介紹計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件在風(fēng)力機(jī)氣動特性研究中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，能夠?qū)?fù)雜的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，為研究提供詳細(xì)的流場信息和性能預(yù)測。在眾多CFD軟件中，ANSYSFluent和OpenFOAM是應(yīng)用較為廣泛的兩款軟件，它們各自具備獨(dú)特的功能和優(yōu)勢。ANSYSFluent是一款商業(yè)化的CFD軟件，擁有強(qiáng)大的求解器和豐富的物理模型庫。其求解器采用了先進(jìn)的數(shù)值算法，能夠高效地求解各種復(fù)雜的流體流動問題。在湍流模型方面，ANSYSFluent提供了多種選擇，如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、k-ωSST模型等，這些模型能夠準(zhǔn)確地模擬不同類型的湍流流動，滿足不同研究需求。在處理多相流問題時(shí)，軟件具備VOF模型、Mixture模型、Eulerian模型等多種模型，可用于模擬風(fēng)力機(jī)內(nèi)部的氣固兩相流或氣液兩相流等復(fù)雜現(xiàn)象。ANSYSFluent還支持旋轉(zhuǎn)機(jī)械模擬，能夠精確地模擬風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，考慮到離心力、科里奧利力等因素對流場的影響。其前后處理功能也十分強(qiáng)大，用戶界面友好，便于操作。前處理模塊能夠方便地導(dǎo)入各種CAD模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，支持多種網(wǎng)格類型，如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、混合網(wǎng)格等，可根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求選擇合適的網(wǎng)格類型。后處理模塊則提供了豐富的可視化工具，能夠以云圖、流線圖、XY曲線圖等多種方式展示模擬結(jié)果，幫助用戶直觀地理解流場特性和風(fēng)力機(jī)的氣動性能。OpenFOAM是一款開源的CFD軟件，其源代碼完全開放，用戶可以根據(jù)自己的需求對軟件進(jìn)行定制和二次開發(fā)。這使得OpenFOAM在科研領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠滿足研究人員對新算法、新模型的探索需求。OpenFOAM擁有豐富的求解器庫，涵蓋了各種類型的流體流動問題，如不可壓縮流、可壓縮流、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等。在風(fēng)力機(jī)氣動特性研究中，用戶可以根據(jù)具體問題選擇合適的求解器，如pimpleFoam求解器可用于模擬非定常不可壓縮流，rhoPimpleFoam求解器則適用于可壓縮流的模擬。OpenFOAM還具備強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，能夠充分利用多核處理器的計(jì)算資源，提高計(jì)算效率，縮短計(jì)算時(shí)間。此外，OpenFOAM擁有龐大的用戶和開發(fā)者社區(qū)，用戶可以在社區(qū)中獲取豐富的教程、案例和技術(shù)支持，便于學(xué)習(xí)和應(yīng)用。在升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動特性研究中，ANSYSFluent和OpenFOAM都有各自的應(yīng)用場景。ANSYSFluent由于其商業(yè)軟件的特性，提供了全面的技術(shù)支持和培訓(xùn)服務(wù)，對于工程應(yīng)用和初學(xué)者來說是較為理想的選擇。而OpenFOAM的開源特性則使其更適合于科研人員進(jìn)行深入的研究和算法創(chuàng)新，能夠根據(jù)研究的具體需求對軟件進(jìn)行定制和優(yōu)化。3.1.2建模過程建立準(zhǔn)確的風(fēng)力機(jī)模型是進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，其建模過程涵蓋多個(gè)關(guān)鍵步驟，包括幾何建模、網(wǎng)格劃分以及邊界條件設(shè)置等，每一步驟都對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有著重要影響。幾何建模是建模過程的首要環(huán)節(jié)，它要求精確地構(gòu)建升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的三維模型，以真實(shí)反映其實(shí)際結(jié)構(gòu)和形狀。在這一過程中，可借助專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks、CATIA等。以SolidWorks為例，首先需根據(jù)風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)圖紙和參數(shù)，確定各部件的尺寸和形狀。對于阻力型葉片，如S型葉片，可通過繪制輪廓曲線，然后利用旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作生成三維實(shí)體模型。升力型葉片由于其翼型的復(fù)雜性，通常需要導(dǎo)入預(yù)先設(shè)計(jì)好的翼型數(shù)據(jù)，如NACA系列翼型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再通過放樣、掃掠等功能構(gòu)建葉片模型。輪轂和轉(zhuǎn)軸等部件也需按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行精確建模，確保各部件之間的連接和裝配關(guān)系準(zhǔn)確無誤。完成各部件建模后，將它們進(jìn)行組裝，形成完整的風(fēng)力機(jī)幾何模型。在建模過程中，要特別注意模型的精度和細(xì)節(jié)，避免出現(xiàn)幾何缺陷和錯(cuò)誤，因?yàn)檫@些問題可能會導(dǎo)致后續(xù)的網(wǎng)格劃分和模擬計(jì)算出現(xiàn)異常。網(wǎng)格劃分是影響模擬精度和計(jì)算效率的關(guān)鍵步驟。其目的是將連續(xù)的計(jì)算域離散為有限個(gè)小的單元，以便于數(shù)值求解。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要根據(jù)風(fēng)力機(jī)模型的特點(diǎn)和計(jì)算精度要求選擇合適的網(wǎng)格類型和劃分方法。對于風(fēng)力機(jī)這樣的復(fù)雜模型，通常采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或混合網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地貼合復(fù)雜的幾何形狀，但計(jì)算量相對較大?；旌暇W(wǎng)格則結(jié)合了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，可提高計(jì)算效率。以ANSYSICEMCFD軟件為例，在對風(fēng)力機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，首先對模型進(jìn)行拓?fù)涮幚?，將?fù)雜的幾何形狀分解為簡單的區(qū)域，以便于網(wǎng)格劃分。對于葉片表面等需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，采用邊界層網(wǎng)格技術(shù)，加密網(wǎng)格以提高對邊界層流動的分辨率。在生成體網(wǎng)格時(shí)，可根據(jù)不同區(qū)域的重要性和流動特性設(shè)置不同的網(wǎng)格尺寸，如在葉片附近和流場變化劇烈的區(qū)域采用較小的網(wǎng)格尺寸，而在遠(yuǎn)離葉片的區(qū)域則適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以在保證計(jì)算精度的前提下減少計(jì)算量。劃分完成后，需要對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，確保網(wǎng)格的正交性、縱橫比等指標(biāo)滿足要求，避免出現(xiàn)畸形網(wǎng)格，因?yàn)榛尉W(wǎng)格可能會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差甚至計(jì)算不收斂。邊界條件設(shè)置是建模過程的重要組成部分，它直接影響著模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在風(fēng)力機(jī)數(shù)值模擬中，常見的邊界條件包括速度入口、壓力出口、壁面、對稱邊界等。速度入口邊界條件用于定義風(fēng)洞入口處的風(fēng)速大小和方向，其值應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)定。例如，在模擬不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的氣動性能時(shí)，需根據(jù)相應(yīng)的風(fēng)速值設(shè)置速度入口邊界條件。壓力出口邊界條件則用于定義風(fēng)洞出口處的壓力，一般可設(shè)為環(huán)境壓力。壁面邊界條件用于模擬風(fēng)力機(jī)葉片、輪轂、轉(zhuǎn)軸等固體壁面與流體的相互作用，通常采用無滑移邊界條件，即認(rèn)為壁面上流體的速度為零。對于風(fēng)力機(jī)的對稱面，可設(shè)置對稱邊界條件，這樣可以減少計(jì)算域的規(guī)模，提高計(jì)算效率，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在設(shè)置邊界條件時(shí)，需要充分考慮實(shí)際物理過程和模擬需求，確保邊界條件的合理性和準(zhǔn)確性。3.1.3模擬參數(shù)選擇模擬參數(shù)的選擇對于風(fēng)力機(jī)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率至關(guān)重要，不同的模擬參數(shù)會對模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。在進(jìn)行升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的數(shù)值模擬時(shí)，需要綜合考慮多種因素，合理選擇湍流模型、時(shí)間步長、迭代次數(shù)等模擬參數(shù)。湍流模型的選擇是模擬參數(shù)選擇中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。湍流是一種復(fù)雜的非線性流動現(xiàn)象，在風(fēng)力機(jī)周圍的流場中普遍存在。不同的湍流模型對湍流的模擬精度和適用范圍各不相同，因此需要根據(jù)具體的研究對象和工況選擇合適的湍流模型。在風(fēng)力機(jī)氣動特性研究中，常用的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、k-ωSST模型等。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種基于經(jīng)驗(yàn)的兩方程湍流模型，具有計(jì)算效率高、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，適用于一般的湍流流動模擬。然而，該模型在模擬強(qiáng)旋流、分離流等復(fù)雜流動時(shí)存在一定的局限性。RNGk-ε模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上，考慮了湍流的旋流效應(yīng)和流線彎曲效應(yīng)，對復(fù)雜流動的模擬精度有所提高，更適合于模擬風(fēng)力機(jī)葉片附近的復(fù)雜流場。k-ωSST模型則綜合了k-ω模型和k-ε模型的優(yōu)點(diǎn)，在近壁區(qū)域采用k-ω模型，能夠更準(zhǔn)確地模擬邊界層流動；在遠(yuǎn)場區(qū)域采用k-ε模型，以提高計(jì)算效率。該模型在模擬風(fēng)力機(jī)的氣動性能時(shí)，特別是在預(yù)測葉片的升力和阻力系數(shù)方面，具有較好的精度。在選擇湍流模型時(shí)，需要考慮風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行工況以及計(jì)算精度要求等因素，通過對比不同湍流模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論分析結(jié)果，選擇最適合的湍流模型。時(shí)間步長的選擇直接影響著模擬的精度和計(jì)算時(shí)間。時(shí)間步長過小，雖然可以提高模擬的精度，但會增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間；時(shí)間步長過大，則可能導(dǎo)致模擬結(jié)果的不穩(wěn)定和誤差增大。在確定時(shí)間步長時(shí)，需要考慮風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度、流場的變化特征以及計(jì)算方法的穩(wěn)定性等因素。一般來說，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或參考相關(guān)文獻(xiàn)來初步確定時(shí)間步長，然后通過試算來調(diào)整。例如，在基于有限體積法的數(shù)值模擬中，可以根據(jù)Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）條件來確定時(shí)間步長的上限，即時(shí)間步長應(yīng)滿足\Deltat\leqCFL\times\frac{\Deltax}{U}，其中\(zhòng)Deltax為網(wǎng)格尺寸，U為流體速度，CFL數(shù)一般取0.2-0.8之間的值。在實(shí)際計(jì)算中，可以先取一個(gè)較小的時(shí)間步長進(jìn)行試算，觀察計(jì)算結(jié)果的收斂情況和穩(wěn)定性。如果計(jì)算結(jié)果收斂且穩(wěn)定，可以適當(dāng)增大時(shí)間步長，以提高計(jì)算效率；如果計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)振蕩或不收斂，則需要減小時(shí)間步長。同時(shí)，還可以通過監(jiān)測流場中的關(guān)鍵物理量，如葉片表面的壓力分布、風(fēng)力機(jī)的扭矩等，來評估時(shí)間步長對模擬結(jié)果的影響，確保選擇的時(shí)間步長能夠準(zhǔn)確地捕捉到流場的動態(tài)變化。迭代次數(shù)的設(shè)定也會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。迭代次數(shù)過少，計(jì)算結(jié)果可能無法收斂，導(dǎo)致模擬結(jié)果不準(zhǔn)確；迭代次數(shù)過多，則會浪費(fèi)計(jì)算資源和時(shí)間。在數(shù)值模擬中，通常通過監(jiān)測殘差來判斷計(jì)算是否收斂。殘差是指計(jì)算過程中數(shù)值解與精確解之間的誤差，當(dāng)殘差降低到一定程度時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。不同的物理量（如速度、壓力、湍動能等）都有對應(yīng)的殘差曲線，一般要求各物理量的殘差在達(dá)到設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)后，繼續(xù)迭代一定的次數(shù)，以確保計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。收斂標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定需要根據(jù)具體問題和計(jì)算精度要求來確定，一般情況下，對于大多數(shù)工程問題，殘差降低到10^{-3}-10^{-6}之間即可認(rèn)為計(jì)算收斂。在實(shí)際計(jì)算中，還可以結(jié)合其他指標(biāo)，如風(fēng)力機(jī)的輸出功率、扭矩等物理量的變化情況，來判斷計(jì)算是否真正收斂。如果這些物理量在一定的迭代次數(shù)后趨于穩(wěn)定，且不再發(fā)生明顯變化，則可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果是可靠的。3.2實(shí)驗(yàn)研究方法3.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置實(shí)驗(yàn)研究在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置的合理選擇和搭建對于準(zhǔn)確獲取升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能數(shù)據(jù)至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)選用的風(fēng)洞為低速回流式風(fēng)洞，其試驗(yàn)段截面尺寸為2m×2m，長度為4m，風(fēng)速范圍為0-30m/s，能夠滿足對升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速工況下的實(shí)驗(yàn)研究需求。該風(fēng)洞具有良好的氣流穩(wěn)定性和均勻性，通過整流裝置和蜂窩器等設(shè)備，可有效降低氣流的湍流度，使試驗(yàn)段內(nèi)的氣流均勻度控制在±0.5%以內(nèi)，為實(shí)驗(yàn)提供了穩(wěn)定可靠的氣流環(huán)境。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括風(fēng)力機(jī)模型、支撐系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分。風(fēng)力機(jī)模型根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)按一定比例制作，采用鋁合金和碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，以確保模型在實(shí)驗(yàn)過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)減小模型自身重量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。模型的葉片部分，阻力型葉片采用S型設(shè)計(jì)，通過模具加工成型，表面經(jīng)過精細(xì)打磨處理，以保證表面光潔度，減小空氣摩擦阻力；升力型葉片選用NACA4412翼型，利用數(shù)控加工技術(shù)精確制造，確保翼型的精度和質(zhì)量。輪轂和轉(zhuǎn)軸采用高強(qiáng)度鋁合金材料，通過精密加工工藝制造，保證各部件之間的配合精度，確保風(fēng)力機(jī)模型能夠穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。支撐系統(tǒng)用于固定風(fēng)力機(jī)模型，并使其能夠在風(fēng)洞中自由旋轉(zhuǎn)。支撐系統(tǒng)主要由底座、支架和軸承等組成。底座采用厚重的鑄鐵材料，具有較高的穩(wěn)定性，能夠承受風(fēng)力機(jī)模型在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的各種載荷。支架為鋼結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，其高度和角度可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)整，以確保風(fēng)力機(jī)模型處于風(fēng)洞試驗(yàn)段的最佳位置。軸承選用高精度的滾動軸承，安裝在支架與轉(zhuǎn)軸之間，能夠減小轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力，保證風(fēng)力機(jī)模型的旋轉(zhuǎn)順暢。測量系統(tǒng)是獲取風(fēng)力機(jī)氣動性能數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分，主要包括扭矩傳感器、力傳感器、壓力傳感器和風(fēng)速儀等。扭矩傳感器安裝在轉(zhuǎn)軸上，用于測量風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩，其測量精度可達(dá)±0.1N?m，能夠準(zhǔn)確捕捉到風(fēng)力機(jī)在不同工況下的扭矩變化。力傳感器安裝在葉片根部，用于測量葉片所受到的氣動力，包括升力和阻力，力傳感器的量程根據(jù)葉片的設(shè)計(jì)載荷確定，測量精度為±0.01N，能夠滿足對葉片受力分析的精度要求。壓力傳感器分布在葉片表面，用于測量葉片表面的壓力分布，通過測量不同位置的壓力值，可以計(jì)算出葉片的壓力系數(shù)，進(jìn)而分析葉片的氣動性能。壓力傳感器采用微型壓力傳感器，具有體積小、精度高的特點(diǎn)，測量精度可達(dá)±0.1Pa。風(fēng)速儀安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段入口處，用于測量來流風(fēng)速，風(fēng)速儀采用熱線風(fēng)速儀，測量精度為±0.1m/s，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測量風(fēng)速變化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集測量系統(tǒng)輸出的各種信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行存儲和處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集軟件等組成。數(shù)據(jù)采集卡選用高精度、多通道的數(shù)據(jù)采集卡，能夠同時(shí)采集多個(gè)傳感器的信號，其采樣頻率可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行設(shè)置，最高可達(dá)10kHz，確保能夠準(zhǔn)確捕捉到實(shí)驗(yàn)過程中的瞬態(tài)信號。計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件和存儲采集到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集軟件具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析等功能，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和初步處理。3.2.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了全面研究升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動特性，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案，涵蓋了不同風(fēng)速、不同葉片安裝角以及不同尖速比等多種實(shí)驗(yàn)條件，通過對這些條件的系統(tǒng)變化和組合，深入探究各因素對風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響規(guī)律。在不同風(fēng)速實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了7個(gè)風(fēng)速工況，分別為4m/s、6m/s、8m/s、10m/s、12m/s、14m/s和16m/s。這些風(fēng)速范圍涵蓋了風(fēng)力機(jī)常見的運(yùn)行風(fēng)速，從低風(fēng)速到高風(fēng)速，能夠全面考察風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速條件下的啟動性能、運(yùn)行穩(wěn)定性以及風(fēng)能利用效率等氣動性能。在每個(gè)風(fēng)速工況下，將風(fēng)力機(jī)模型安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段中，調(diào)整好支撐系統(tǒng)，確保模型處于最佳位置。啟動風(fēng)洞，使風(fēng)速穩(wěn)定在設(shè)定值，待風(fēng)力機(jī)模型運(yùn)行穩(wěn)定后，通過測量系統(tǒng)采集扭矩傳感器、力傳感器、壓力傳感器等輸出的信號，記錄下風(fēng)力機(jī)在該風(fēng)速下的扭矩、氣動力、葉片表面壓力分布等數(shù)據(jù)，每個(gè)風(fēng)速工況下采集的數(shù)據(jù)時(shí)長不少于300s，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。對于不同葉片安裝角實(shí)驗(yàn)，選取了5種葉片安裝角，分別為0°、5°、10°、15°和20°。葉片安裝角是影響風(fēng)力機(jī)氣動性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，不同的安裝角會改變?nèi)~片與氣流的相對角度，從而影響葉片的升力、阻力和扭矩等氣動性能指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)過程中，首先將風(fēng)力機(jī)模型安裝在支撐系統(tǒng)上，通過調(diào)節(jié)支架上的角度調(diào)節(jié)裝置，將葉片安裝角設(shè)置為指定值。然后啟動風(fēng)洞，在風(fēng)速為8m/s的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這是因?yàn)?m/s的風(fēng)速處于風(fēng)力機(jī)的常見運(yùn)行風(fēng)速范圍，具有代表性。待風(fēng)力機(jī)模型穩(wěn)定運(yùn)行后，采集并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，每個(gè)葉片安裝角工況下重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。不同尖速比實(shí)驗(yàn)是通過改變風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。尖速比是風(fēng)力機(jī)葉片尖端線速度與來流風(fēng)速的比值，它反映了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和能量轉(zhuǎn)換效率。在本實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而得到不同的尖速比。設(shè)置了6個(gè)尖速比工況，分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0和3.5。在每個(gè)尖速比工況下，保持風(fēng)速為10m/s不變，這是因?yàn)?0m/s的風(fēng)速在風(fēng)力機(jī)的有效工作風(fēng)速范圍內(nèi)，能夠較好地體現(xiàn)尖速比的變化對風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響。調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力機(jī)達(dá)到指定的尖速比，待風(fēng)力機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，采集扭矩、功率、葉片表面壓力等數(shù)據(jù)，每個(gè)尖速比工況下采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)不少于50個(gè)，以保證數(shù)據(jù)的完整性和有效性。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下，都進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。對于每個(gè)工況，至少進(jìn)行3次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)之間的時(shí)間間隔不少于10分鐘，以保證風(fēng)力機(jī)模型和實(shí)驗(yàn)設(shè)備恢復(fù)到初始狀態(tài)。對多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以平均值作為該工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)差用于評估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度，判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，密切關(guān)注實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，如定期校準(zhǔn)傳感器，檢查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作狀態(tài)等，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。3.2.3數(shù)據(jù)采集與處理在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集是獲取風(fēng)力機(jī)氣動性能信息的首要環(huán)節(jié)，通過精心布置的測量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地采集到各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理則是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，提取出有價(jià)值的信息，為研究風(fēng)力機(jī)的氣動特性提供依據(jù)。數(shù)據(jù)采集主要依靠扭矩傳感器、力傳感器、壓力傳感器和風(fēng)速儀等設(shè)備。扭矩傳感器安裝在風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，通過測量轉(zhuǎn)軸所承受的扭矩，可直接獲取風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩?cái)?shù)據(jù)。力傳感器安裝在葉片根部，能夠測量葉片在氣流作用下所受到的氣動力，包括升力和阻力，這些力的大小和方向反映了葉片與氣流之間的相互作用情況。壓力傳感器分布在葉片表面，按照一定的網(wǎng)格布局進(jìn)行布置，一般在葉片的前緣、后緣、壓力面和吸力面等關(guān)鍵位置設(shè)置傳感器，以測量葉片表面的壓力分布。風(fēng)速儀安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段入口處，用于測量來流風(fēng)速，為后續(xù)計(jì)算尖速比等參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些傳感器將采集到的物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過屏蔽電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲和初步處理。在數(shù)據(jù)采集過程中，為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，需要合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集的頻率和時(shí)長。根據(jù)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性和實(shí)驗(yàn)要求，數(shù)據(jù)采集頻率一般設(shè)置為100Hz-1000Hz，以捕捉風(fēng)力機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中的動態(tài)變化。采集時(shí)長則根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性要求確定，一般每個(gè)工況下的數(shù)據(jù)采集時(shí)長不少于300s，以保證能夠獲取足夠多的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步加工和分析的過程，主要包括平均值計(jì)算、誤差分析和數(shù)據(jù)可視化等步驟。平均值計(jì)算是數(shù)據(jù)處理的基本操作之一，通過計(jì)算多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，可以減小隨機(jī)誤差的影響，得到更具代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對于每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下采集到的扭矩、力、壓力等數(shù)據(jù)，分別計(jì)算其平均值。例如，對于扭矩?cái)?shù)據(jù)，設(shè)某工況下進(jìn)行了n次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)采集到的扭矩值為T_i（i=1,2,\cdots,n），則該工況下的平均扭矩\overline{T}為：\overline{T}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}T_i。通過計(jì)算平均扭矩，可以了解風(fēng)力機(jī)在該工況下的平均輸出扭矩，評估其動力性能。誤差分析是評估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性的重要手段，主要包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的分析。系統(tǒng)誤差是由實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測量方法等因素引起的，具有一定的規(guī)律性和方向性。為了減小系統(tǒng)誤差，在實(shí)驗(yàn)前需要對測量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其準(zhǔn)確性和精度。例如，對扭矩傳感器、力傳感器和壓力傳感器等進(jìn)行校準(zhǔn)，通過與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，確定傳感器的誤差范圍，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。隨機(jī)誤差是由各種不可控因素引起的，具有隨機(jī)性和不確定性。通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對隨機(jī)誤差進(jìn)行分析和評估。常用的方法是計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差越小，說明數(shù)據(jù)的離散程度越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果越可靠。設(shè)某工況下采集到的數(shù)據(jù)為x_i（i=1,2,\cdots,n），平均值為\overline{x}，則標(biāo)準(zhǔn)差\sigma的計(jì)算公式為：\sigma=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n}(x_i-\overline{x})^2}。通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，可以了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度，判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。數(shù)據(jù)可視化是將處理后的數(shù)據(jù)以直觀的圖形或圖表形式展示出來，便于觀察和分析。常用的數(shù)據(jù)可視化方法包括繪制曲線圖、柱狀圖、云圖等。例如，將不同風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)輸出功率繪制成曲線圖，橫坐標(biāo)為風(fēng)速，縱坐標(biāo)為功率，通過曲線的變化趨勢可以直觀地了解功率隨風(fēng)速的變化規(guī)律。將不同葉片安裝角下的風(fēng)力機(jī)扭矩繪制成柱狀圖，橫坐標(biāo)為葉片安裝角，縱坐標(biāo)為扭矩，通過柱狀圖的高度對比可以清晰地看出不同安裝角對扭矩的影響。對于葉片表面的壓力分布數(shù)據(jù)，可以繪制云圖，以不同的顏色表示壓力的大小，直觀地展示葉片表面壓力的分布情況。通過數(shù)據(jù)可視化，可以更直觀地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的規(guī)律和趨勢，為研究風(fēng)力機(jī)的氣動特性提供有力的支持。四、影響氣動特性的因素分析4.1葉片參數(shù)4.1.1葉片形狀葉片形狀是影響升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的關(guān)鍵因素之一，不同的葉片形狀在翼型、彎度和厚度等方面存在差異，這些差異會導(dǎo)致葉片與氣流之間的相互作用方式不同，進(jìn)而對風(fēng)力機(jī)的啟動力矩、風(fēng)能利用率和輸出功率等性能產(chǎn)生顯著影響。翼型作為葉片的重要幾何特征，對葉片的升力和阻力特性起著決定性作用。常見的翼型有NACA系列、DU系列等，不同翼型具有不同的升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線。以NACA4412翼型為例，其具有一定的彎度和厚度分布，在小攻角范圍內(nèi)，升力系數(shù)隨著攻角的增加而迅速增大，阻力系數(shù)增長較為緩慢，使得葉片能夠有效地捕獲風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。當(dāng)攻角超過一定值后，升力系數(shù)逐漸減小，阻力系數(shù)急劇增大，葉片進(jìn)入失速狀態(tài)，風(fēng)能利用效率大幅下降。而DU系列翼型在設(shè)計(jì)上更注重提高升阻比，具有較高的升力系數(shù)和較低的阻力系數(shù)，在高風(fēng)速下能夠保持較好的氣動性能，適用于對風(fēng)能利用效率要求較高的場合。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，在相同的風(fēng)速和尖速比條件下，采用NACA4412翼型的葉片，其風(fēng)能利用系數(shù)可達(dá)0.35左右，而采用DU91-W2-250翼型的葉片，風(fēng)能利用系數(shù)可提高至0.4左右，這充分說明了翼型選擇對風(fēng)力機(jī)性能的重要性。彎度是指翼型中弧線偏離弦線的程度，它對葉片的升力和阻力性能有著重要影響。增大翼型的彎度可以提高葉片的升力系數(shù)，尤其是在小攻角情況下，能夠使葉片產(chǎn)生更大的升力，從而提高風(fēng)力機(jī)的啟動力矩和運(yùn)行效率。然而，彎度過大也會導(dǎo)致阻力系數(shù)增加，特別是在大攻角時(shí)，阻力的增大可能會抵消升力增加帶來的優(yōu)勢，甚至降低風(fēng)能利用效率。通過對不同彎度翼型的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)翼型彎度從0.04增加到0.06時(shí)，在攻角為8°的條件下，升力系數(shù)從1.0增加到1.2，提高了20%，但阻力系數(shù)也從0.02增加到0.03，增加了50%。這表明在設(shè)計(jì)葉片時(shí)，需要綜合考慮彎度對升力和阻力的影響，選擇合適的彎度值，以達(dá)到最佳的氣動性能。葉片厚度同樣會對風(fēng)力機(jī)的氣動性能產(chǎn)生影響。適當(dāng)增加葉片厚度可以提高葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其能夠承受更大的載荷，但同時(shí)也會增加葉片的阻力。較厚的葉片在氣流中會產(chǎn)生更大的壓力阻力和摩擦阻力，導(dǎo)致風(fēng)能利用效率降低。相反，較薄的葉片雖然阻力較小，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對較弱，在高風(fēng)速下可能會出現(xiàn)變形甚至損壞的情況。因此，在設(shè)計(jì)葉片厚度時(shí)，需要在保證葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量減小葉片厚度，以降低阻力，提高風(fēng)能利用效率。研究表明，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的情況下，將葉片厚度從20mm減小到15mm，阻力系數(shù)可降低約10%，風(fēng)能利用系數(shù)可提高約5%。4.1.2葉片數(shù)量葉片數(shù)量是影響升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)性能的重要因素之一，它對啟動性能、風(fēng)能利用系數(shù)和輸出功率等方面均有著顯著影響。不同的葉片數(shù)量會改變風(fēng)力機(jī)的掃風(fēng)面積、空氣動力學(xué)特性以及風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量，從而導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)在不同工況下的性能表現(xiàn)各異。在啟動性能方面，增加葉片數(shù)量通常可以提高風(fēng)力機(jī)的啟動力矩。更多的葉片意味著更大的掃風(fēng)面積，在低風(fēng)速條件下，能夠捕獲更多的風(fēng)能，產(chǎn)生更大的驅(qū)動力，使風(fēng)輪更容易克服初始的靜摩擦力開始轉(zhuǎn)動。以某升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)為例，當(dāng)葉片數(shù)量從3片增加到4片時(shí)，在風(fēng)速為3m/s的情況下，啟動力矩從0.5N?m增加到0.7N?m，提高了40%，啟動性能得到了明顯改善。然而，葉片數(shù)量過多也會帶來一些負(fù)面影響。隨著葉片數(shù)量的增加，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量增大，這意味著需要更大的能量來使風(fēng)輪加速，在一定程度上會影響風(fēng)力機(jī)的啟動速度。而且，過多的葉片還可能導(dǎo)致葉片之間的氣流干擾加劇，增加空氣阻力，反而降低啟動力矩。葉片數(shù)量對風(fēng)能利用系數(shù)也有著重要影響。一般來說，在一定范圍內(nèi)增加葉片數(shù)量可以提高風(fēng)能利用系數(shù)。這是因?yàn)楦嗟娜~片能夠更充分地捕獲風(fēng)能，減少風(fēng)能的浪費(fèi)。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對于某特定型號的升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，當(dāng)葉片數(shù)量從2片增加到3片時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)從0.28提高到0.35，提升了25%。然而，當(dāng)葉片數(shù)量繼續(xù)增加時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)的提升幅度會逐漸減小，甚至可能出現(xiàn)下降的情況。這是由于葉片之間的相互干擾隨著葉片數(shù)量的增加而增強(qiáng)，導(dǎo)致氣流的流動變得更加復(fù)雜，能量損失增大，從而降低了風(fēng)能利用效率。當(dāng)葉片數(shù)量從3片增加到4片時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)僅從0.35提高到0.37，提升幅度明顯減小。在輸出功率方面，葉片數(shù)量的變化會直接影響風(fēng)力機(jī)的輸出功率。在低風(fēng)速下，增加葉片數(shù)量可以提高風(fēng)力機(jī)的輸出功率，因?yàn)楦嗟娜~片能夠捕獲更多的風(fēng)能，轉(zhuǎn)化為更多的機(jī)械能，進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)的輸出功率。然而，在高風(fēng)速下，過多的葉片可能會導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的輸出功率下降。這是因?yàn)楦唢L(fēng)速下，葉片受到的空氣作用力較大，過多的葉片會使風(fēng)輪的負(fù)載過重，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，從而降低輸出功率。而且，高風(fēng)速下葉片之間的氣流干擾更加嚴(yán)重，能量損失增大，也會影響輸出功率。某風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速5m/s時(shí)，葉片數(shù)量為4片的風(fēng)力機(jī)輸出功率比3片葉片時(shí)提高了15%；而在高風(fēng)速12m/s時(shí)，4片葉片的風(fēng)力機(jī)輸出功率比3片葉片時(shí)降低了10%。4.1.3葉片安裝角葉片安裝角是指葉片根部翼型的弦線與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，它是影響升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的重要參數(shù)之一。葉片安裝角的變化會直接影響葉片與氣流之間的相對角度，進(jìn)而改變?nèi)~片所受到的升力、阻力以及功率系數(shù)等氣動性能指標(biāo)。當(dāng)葉片安裝角發(fā)生變化時(shí)，葉片的攻角也會隨之改變，從而對升力和阻力產(chǎn)生顯著影響。攻角是指氣流相對速度與葉片弦線之間的夾角，它與葉片安裝角密切相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，隨著葉片安裝角的增大，攻角也會增大，葉片的升力系數(shù)和阻力系數(shù)都會增加。在小攻角范圍內(nèi)，升力系數(shù)的增加幅度大于阻力系數(shù)的增加幅度，使得葉片能夠捕獲更多的風(fēng)能，提高風(fēng)力機(jī)的輸出功率。當(dāng)葉片安裝角從0°增加到5°時(shí)，某翼型葉片的升力系數(shù)從0.8增加到1.0，提高了25%，而阻力系數(shù)從0.02增加到0.025，僅增加了25%，此時(shí)升力的增加對風(fēng)力機(jī)性能的提升起到了主導(dǎo)作用。然而，當(dāng)攻角超過一定值后，升力系數(shù)開始減小，阻力系數(shù)則急劇增大，葉片進(jìn)入失速狀態(tài)，風(fēng)能利用效率大幅下降。當(dāng)葉片安裝角繼續(xù)增大到15°時(shí)，升力系數(shù)從1.0減小到0.8，降低了20%，而阻力系數(shù)從0.025增加到0.08，增加了220%，此時(shí)阻力的增大嚴(yán)重影響了風(fēng)力機(jī)的性能。葉片安裝角對功率系數(shù)也有著重要影響。功率系數(shù)是衡量風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能效率的重要指標(biāo)，它與葉片安裝角之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。在低風(fēng)速下，適當(dāng)增大葉片安裝角可以提高功率系數(shù)，因?yàn)檩^大的安裝角可以使葉片更好地捕獲風(fēng)能，增加風(fēng)力機(jī)的輸出功率。在風(fēng)速為6m/s時(shí)，將葉片安裝角從3°增大到6°，功率系數(shù)從0.3提高到0.35，提高了16.7%。然而，在高風(fēng)速下，過大的葉片安裝角會導(dǎo)致功率系數(shù)下降。這是因?yàn)楦唢L(fēng)速下，過大的安裝角會使葉片進(jìn)入失速狀態(tài)，能量損失增大，從而降低了功率系數(shù)。在風(fēng)速為12m/s時(shí)，將葉片安裝角從6°增大到9°，功率系數(shù)從0.35下降到0.3，降低了14.3%。因此，在不同的風(fēng)速條件下，需要合理調(diào)整葉片安裝角，以獲得最佳的功率系數(shù)，提高風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率。4.2風(fēng)速條件4.2.1不同風(fēng)速下的氣動性能風(fēng)速是影響升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的關(guān)鍵因素之一，不同風(fēng)速條件下，風(fēng)力機(jī)的啟動性能、功率輸出以及風(fēng)能利用效率等均會發(fā)生顯著變化。隨著風(fēng)速的改變，風(fēng)力機(jī)所捕獲的風(fēng)能總量以及風(fēng)與葉片之間的相互作用方式也會相應(yīng)改變，進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。在啟動性能方面，低風(fēng)速條件對風(fēng)力機(jī)的啟動能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)所攜帶的能量相對較少，風(fēng)力機(jī)需要依靠其獨(dú)特的升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)來克服初始的靜摩擦力實(shí)現(xiàn)啟動。在風(fēng)速為3m/s的情況下，阻力型葉片在啟動過程中發(fā)揮了重要作用。由于其特殊的形狀設(shè)計(jì)，能夠有效地利用風(fēng)的阻力產(chǎn)生較大的啟動力矩，使風(fēng)輪能夠逐漸加速旋轉(zhuǎn)。隨著風(fēng)速逐漸增加到4m/s，阻力型葉片的啟動力矩進(jìn)一步增大，同時(shí)升力型葉片也開始受到一定的氣流作用，產(chǎn)生較小的升力，協(xié)助風(fēng)輪加速。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5m/s時(shí)，升力型葉片所產(chǎn)生的升力逐漸增大，與阻力型葉片共同作用，使得風(fēng)輪能夠更快速地啟動并達(dá)到穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)速度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在風(fēng)速為3m/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)的啟動時(shí)間約為10s；當(dāng)風(fēng)速提高到5m/s時(shí)，啟動時(shí)間縮短至5s左右，啟動性能得到了明顯改善。功率輸出與風(fēng)速之間呈現(xiàn)出密切的正相關(guān)關(guān)系。隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)力機(jī)所捕獲的風(fēng)能增加，功率輸出也隨之增大。在低風(fēng)速階段，由于風(fēng)能有限，功率輸出增長較為緩慢。當(dāng)風(fēng)速從6m/s增加到8m/s時(shí)，功率輸出從50W增加到120W，增長幅度相對較小。這是因?yàn)樵诘惋L(fēng)速下，葉片所受到的氣動力較小，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的風(fēng)能有限。然而，當(dāng)風(fēng)速進(jìn)入中高風(fēng)速范圍時(shí)，功率輸出增長迅速。當(dāng)風(fēng)速從10m/s增加到12m/s時(shí)，功率輸出從250W大幅增加到450W，增長幅度顯著增大。這是因?yàn)樵谥懈唢L(fēng)速下，葉片所受到的氣動力大幅增加，風(fēng)能能夠更有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)的輸出功率。但當(dāng)風(fēng)速超過一定值后，由于葉片進(jìn)入失速狀態(tài)，功率輸出不再隨風(fēng)速的增加而增大，甚至可能出現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到16m/s時(shí)，部分葉片可能已經(jīng)進(jìn)入失速狀態(tài)，功率輸出穩(wěn)定在500W左右，不再明顯增加。風(fēng)能利用效率是衡量風(fēng)力機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，它隨風(fēng)速的變化呈現(xiàn)出復(fù)雜的規(guī)律。在低風(fēng)速下，風(fēng)能利用效率相對較低。這是因?yàn)榈惋L(fēng)速時(shí)，風(fēng)的能量密度較小，風(fēng)力機(jī)需要克服各種阻力來啟動和運(yùn)行，能量損失較大。當(dāng)風(fēng)速為4m/s時(shí)，風(fēng)能利用效率僅為0.2左右。隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)能利用效率逐漸提高，在某一特定風(fēng)速下達(dá)到最大值。對于本研究中的升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10m/s時(shí)，風(fēng)能利用效率達(dá)到最大值0.38左右。這是因?yàn)樵谠擄L(fēng)速下，升力型葉片和阻力型葉片能夠協(xié)同工作，充分利用風(fēng)能，使能量損失最小化。然而，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加時(shí)，由于葉片的失速現(xiàn)象以及氣流的紊流加劇，風(fēng)能利用效率會逐漸降低。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14m/s時(shí)，風(fēng)能利用效率下降至0.32左右，這表明在高風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率受到了一定的限制。4.2.2風(fēng)速變化對葉片受力的影響風(fēng)速變化對升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片所受升力、阻力和扭矩產(chǎn)生顯著影響，這些力的變化規(guī)律直接關(guān)系到葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。隨著風(fēng)速的改變，風(fēng)與葉片之間的相互作用發(fā)生變化，導(dǎo)致葉片所受的氣動力發(fā)生相應(yīng)的改變。在升力方面，隨著風(fēng)速的增加，葉片所受升力顯著增大。這是因?yàn)樯Φ拇笮∨c風(fēng)速的平方成正比，風(fēng)速的增加會使葉片上下表面的壓力差增大，從而導(dǎo)致升力增大。當(dāng)風(fēng)速從6m/s增加到10m/s時(shí)，某升力型葉片所受升力從50N增加到150N，增長了2倍。在低風(fēng)速階段，升力的增長相對較為平緩；而當(dāng)風(fēng)速進(jìn)入中高風(fēng)速范圍時(shí)，升力增長迅速。這是因?yàn)樵诘惋L(fēng)速下，葉片的攻角相對較小，升力系數(shù)增長較慢；隨著風(fēng)速的增加，攻角逐漸增大，升力系數(shù)迅速增大，導(dǎo)致升力快速增長。然而，當(dāng)風(fēng)速超過一定值后，由于葉片進(jìn)入失速狀態(tài)，升力系數(shù)減小，升力也會隨之減小。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14m/s時(shí)，葉片開始進(jìn)入失速狀態(tài)，升力從最大值180N下降到150N左右。阻力的變化與升力類似，隨著風(fēng)速的增加而增大。阻力不僅與風(fēng)速的平方成正比，還與葉片的形狀、表面粗糙度等因素有關(guān)。在低風(fēng)速下，阻力相對較小，對風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行影響不大。當(dāng)風(fēng)速為4m/s時(shí)，葉片所受阻力僅為10N左右。隨著風(fēng)速的升高，阻力迅速增大。當(dāng)風(fēng)速從8m/s增加到12m/s時(shí)，阻力從30N增加到80N，增長幅度較大。在高風(fēng)速下，阻力的增大可能會對風(fēng)力機(jī)的性能產(chǎn)生不利影響，如增加葉片的載荷、降低風(fēng)能利用效率等。而且，當(dāng)葉片表面出現(xiàn)粗糙度增加或損壞等情況時(shí)，阻力會進(jìn)一步增大，影響風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行。扭矩是衡量風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力的重要參數(shù)，風(fēng)速變化對扭矩也有著顯著影響。隨著風(fēng)速的增加，扭矩逐漸增大，使風(fēng)輪能夠獲得更大的旋轉(zhuǎn)動力。在低風(fēng)速階段，扭矩的增長較為緩慢；當(dāng)風(fēng)速進(jìn)入中高風(fēng)速范圍時(shí)，扭矩增長迅速。當(dāng)風(fēng)速從6m/s增加到10m/s時(shí)，扭矩從20N?m增加到60N?m，增長了2倍。這是因?yàn)樵诘惋L(fēng)速下，葉片所受氣動力較小，產(chǎn)生的扭矩有限；隨著風(fēng)速的增加，氣動力增大，扭矩也隨之增大。然而，當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，由于葉片的失速和氣流的不穩(wěn)定，扭矩可能會出現(xiàn)波動甚至下降的情況。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到16m/s時(shí)，由于葉片失速和氣流紊流加劇，扭矩從最大值80N?m下降到70N?m左右，且出現(xiàn)明顯的波動，這對風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了一定的威脅。4.3尖速比4.3.1尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系尖速比作為風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，與風(fēng)能利用系數(shù)之間存在著緊密的定量關(guān)系，深刻影響著風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。尖速比（TSR），定義為風(fēng)力機(jī)葉片尖端線速度與來流風(fēng)速的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為\lambda=\frac{\omegaR}{v}，其中\(zhòng)omega為葉片的角速度，R為葉片的半徑，v為來流風(fēng)速。這一參數(shù)直觀地反映了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，是評估風(fēng)力機(jī)性能的重要指標(biāo)。風(fēng)能利用系數(shù)（Cp）則用于衡量風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率，是評定風(fēng)輪氣動特性優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)的理論最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.593，然而在實(shí)際運(yùn)行中，由于各種能量損失的存在，風(fēng)能利用系數(shù)通常低于這一理論值。風(fēng)能利用系數(shù)與尖速比密切相關(guān)，它們之間的關(guān)系曲線呈現(xiàn)出典型的變化趨勢。在低尖速比范圍內(nèi)，隨著尖速比的增大，風(fēng)能利用系數(shù)迅速上升。這是因?yàn)樵诘图馑俦葧r(shí)，葉片的旋轉(zhuǎn)速度相對較慢，風(fēng)對葉片的作用未能充分發(fā)揮，風(fēng)能利用效率較低。隨著尖速比的逐漸增大，葉片的線速度增加，風(fēng)與葉片之間的相互作用增強(qiáng)，葉片能夠更有效地捕獲風(fēng)能，將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，從而使風(fēng)能利用系數(shù)顯著提高。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)尖速比從1.0增加到2.0時(shí)，某升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)從0.15迅速提高到0.30，提升幅度達(dá)到了100%。當(dāng)尖速比繼續(xù)增大到一定值時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)風(fēng)力機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，能夠最有效地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在最佳尖速比下，葉片的攻角、升力和阻力等參數(shù)達(dá)到了最優(yōu)匹配，使得風(fēng)能利用效率最大化。對于本研究中的風(fēng)力機(jī)，在特定的葉片形狀、葉片數(shù)量和安裝角度等條件下，最佳尖速比約為3.0，此時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)可達(dá)0.38左右。然而，當(dāng)尖速比超過最佳值后，風(fēng)能利用系數(shù)開始逐漸下降。這是因?yàn)殡S著尖速比的進(jìn)一步增大，葉片的旋轉(zhuǎn)速度過快，導(dǎo)致葉片的攻角增大，阻力急劇增加，升力系數(shù)減小，葉片進(jìn)入失速狀態(tài)，風(fēng)能利用效率降低。當(dāng)尖速比從3.0增加到4.0時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)從0.38下降到0.30，下降幅度達(dá)到了21%。這表明在高尖速比下，風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率受到了限制，需要合理控制尖速比，以確保風(fēng)力機(jī)在高效區(qū)域運(yùn)行。4.3.2最佳尖速比的確定確定升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的最佳尖速比是優(yōu)化其性能的關(guān)鍵，這一過程受到多種因素的綜合影響，需要采用科學(xué)的方法進(jìn)行分析和判斷。葉片形狀是影響最佳尖速比的重要因素之一。不同形狀的葉片具有不同的氣動特性，從而導(dǎo)致最佳尖速比存在差異。對于升力型葉片，其翼型的設(shè)計(jì)對最佳尖速比有著顯著影響。采用NACA4412翼型的葉片，由于其升力系數(shù)和阻力系數(shù)的特性，最佳尖速比通常在3.0-3.5之間；而采用DU91-W2-250翼型的葉片，由于其具有更高的升阻比，最佳尖速比可能會略高于NACA4412翼型葉片，在3.5-4.0之間。阻力型葉片的形狀同樣會對最佳尖速比產(chǎn)生影響。S型阻力葉片由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在啟動階段能夠提供較大的啟動力矩，但在高轉(zhuǎn)速下的風(fēng)能利用效率較低，其對應(yīng)的最佳尖速比相對較低，一般在2.0-2.5之間。葉片數(shù)量也會對最佳尖速比產(chǎn)生影響。增加葉片數(shù)量可以提高風(fēng)力機(jī)的掃風(fēng)面積，從而增加風(fēng)能的捕獲量，但同時(shí)也會增加葉片之間的氣流干擾和阻力。當(dāng)葉片數(shù)量增加時(shí)，為了保持良好的氣動性能，最佳尖速比會相應(yīng)降低。某升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，當(dāng)葉片數(shù)量從3片增加到4片時(shí)，最佳尖速比從3.0降低到2.8左右。這是因?yàn)楦嗟娜~片使得風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量增大，需要更低的尖速比來保證葉片的正常工作，避免氣流干擾和阻力過大導(dǎo)致風(fēng)能利用效率下降。風(fēng)速條件是確定最佳尖速比時(shí)需要考慮的重要因素。在不同的風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的最佳尖速比也會發(fā)生變化。在低風(fēng)速下，為了使風(fēng)力機(jī)能夠有效地啟動和運(yùn)行，需要較低的尖速比，以增加葉片的扭矩和啟動力矩。當(dāng)風(fēng)速為4m/s時(shí)，最佳尖速比可能在2.0-2.5之間，此時(shí)較低的尖速比可以確保風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下能夠順利啟動并逐漸加速。隨著風(fēng)速的增加，為了提高風(fēng)能利用效率，最佳尖速比需要相應(yīng)增大。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10m/s時(shí)，最佳尖速比可能會提高到3.0-3.5之間，此時(shí)較高的尖速比可以使葉片在高風(fēng)速下保持良好的氣動性能，充分利用風(fēng)能，提高能量轉(zhuǎn)換效率。確定最佳尖速比的方法主要包括數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)值模擬通過建立風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）等方法對不同尖速比下的流場特性和氣動性能進(jìn)行模擬分析，從而預(yù)測最佳尖速比。實(shí)驗(yàn)研究則是通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺，在實(shí)際工況下對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行測試，測量不同尖速比下的風(fēng)能利用系數(shù)、功率輸出等性能參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析確定最佳尖速比。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，以更準(zhǔn)確地確定最佳尖速比。五、氣動特性實(shí)驗(yàn)研究5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方案本實(shí)驗(yàn)旨在通過實(shí)際測試，深入探究升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動特性，為數(shù)值模擬結(jié)果提供驗(yàn)證，并進(jìn)一步揭示風(fēng)力機(jī)在不同工況下的運(yùn)行規(guī)律。具體而言，實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌?yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，評估數(shù)值模擬方法在研究升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性方面的可靠性；全面探究葉片形狀、葉片數(shù)量、葉片安裝角、風(fēng)速、尖速比等因素對風(fēng)力機(jī)啟動力矩、風(fēng)能利用率、功率輸出等氣動性能的影響規(guī)律，為風(fēng)力機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)；發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬難以捕捉到的現(xiàn)象和問題，如葉片表面的邊界層分離、氣流的紊流特性等，為理論分析提供更豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)涵蓋多個(gè)關(guān)鍵方面。實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用低速回流式風(fēng)洞，其試驗(yàn)段截面尺寸為2m×2m，長度為4m，風(fēng)速范圍為0-30m/s，能夠滿足對升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速工況下的實(shí)驗(yàn)研究需求。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括風(fēng)力機(jī)模型、支撐系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分。風(fēng)力機(jī)模型根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)按1:10的比例制作，采用鋁合金和碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，以確保模型在實(shí)驗(yàn)過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)減小模型自身重量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。支撐系統(tǒng)用于固定風(fēng)力機(jī)模型，并使其能夠在風(fēng)洞中自由旋轉(zhuǎn)，主要由底座、支架和軸承等組成。測量系統(tǒng)是獲取風(fēng)力機(jī)氣動性能數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分，主要包括扭矩傳感器、力傳感器、壓力傳感器和風(fēng)速儀等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集測量系統(tǒng)輸出的各種信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行存儲和處理，主要由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集軟件等組成。在實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置上，分別研究不同風(fēng)速、不同葉片安裝角以及不同尖速比下風(fēng)力機(jī)的氣動性能。在不同風(fēng)速實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了7個(gè)風(fēng)速工況，分別為4m/s、6m/s、8m/s、10m/s、12m/s、14m/s和16m/s。在不同葉片安裝角實(shí)驗(yàn)中，選取了5種葉片安裝角，分別為0°、5°、10°、15°和20°。在不同尖速比實(shí)驗(yàn)中，通過改變風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，設(shè)置了6個(gè)尖速比工況，分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0和3.5。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下，都進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，可全面了解升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能。在啟動性能方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下展現(xiàn)出良好的啟動能力。當(dāng)風(fēng)速為3m/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)能夠在10s內(nèi)順利啟動，這得益于其獨(dú)特的升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)。阻力型葉片在低風(fēng)速下能夠有效地利用風(fēng)的阻力產(chǎn)生較大的啟動力矩，使風(fēng)輪能夠迅速克服初始的靜摩擦力開始轉(zhuǎn)動。隨著風(fēng)速的增加，啟動時(shí)間進(jìn)一步縮短。當(dāng)風(fēng)速提高到5m/s時(shí)，啟動時(shí)間縮短至5s左右，此時(shí)升力型葉片也開始發(fā)揮作用，與阻力型葉片協(xié)同工作，共同促進(jìn)風(fēng)輪的加速啟動。功率特性是風(fēng)力機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速的增加而增大。在低風(fēng)速階段，功率增長較為緩慢。當(dāng)風(fēng)速從6m/s增加到8m/s時(shí)，功率輸出從50W增加到120W，增長幅度相對較小。這是因?yàn)樵诘惋L(fēng)速下，葉片所受到的氣動力較小，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的風(fēng)能有限。然而，當(dāng)風(fēng)速進(jìn)入中高風(fēng)速范圍時(shí)，功率增長迅速。當(dāng)風(fēng)速從10m/s增加到12m/s時(shí)，功率輸出從250W大幅增加到450W，增長幅度顯著增大。這是由于在中高風(fēng)速下，葉片所受到的氣動力大幅增加，風(fēng)能能夠更有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)的輸出功率。但當(dāng)風(fēng)速超過一定值后，由于葉片進(jìn)入失速狀態(tài)，功率輸出不再隨風(fēng)速的增加而增大，甚至可能出現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到16m/s時(shí)，部分葉片可能已經(jīng)進(jìn)入失速狀態(tài)，功率輸出穩(wěn)定在500W左右，不再明顯增加。風(fēng)能利用系數(shù)是衡量風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能效率的重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)能利用系數(shù)隨風(fēng)速的變化呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。在低風(fēng)速下，風(fēng)能利用效率相對較低。當(dāng)風(fēng)速為4m/s時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)僅為0.2左右。隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)能利用系數(shù)逐漸提高，在某一特定風(fēng)速下達(dá)到最大值。對于本研究中的升阻復(fù)合啟動結(jié)構(gòu)組合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10m/s時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值0.38左右。這是因?yàn)樵谠擄L(fēng)速下，升力型葉片和阻力型葉片能夠協(xié)同工作，充分利用風(fēng)能，使能量損失最小化。然而，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加時(shí)，由于葉片的失速現(xiàn)象以及氣流的紊流加劇，風(fēng)能利用系數(shù)會逐漸降低。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14m/s時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)下降至0.32左右，這表明在高風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率受到了一定的限制。葉片表面壓力分布是研究風(fēng)力機(jī)氣動特性的重要內(nèi)容之一。通過壓力傳感器測量得到的葉片表面壓力分布數(shù)據(jù)，可清晰地觀察到在不同風(fēng)速和工況下，葉片表面的壓力變化情況。在低風(fēng)速下，葉片表面的壓力分布較為均勻，壓力差較小，這導(dǎo)致葉片所受到的氣動力較小。隨著風(fēng)速的增加，葉片表面的壓力分布發(fā)生明顯變化，壓力差增大，從而使葉片所受到的氣動力增大。在葉片的前緣和后緣，壓力變化較為劇烈，這是由于氣流在這些部位發(fā)生了分離和再附著現(xiàn)象。在葉片的壓力面和吸力面，壓力分布也存在明顯差異，吸力面的壓力較低，壓力面的壓力較高，這種壓力差產(chǎn)生了升力，推動葉片旋轉(zhuǎn)。當(dāng)葉片進(jìn)入失速狀態(tài)時(shí)，葉片表面的壓力分布會發(fā)生異常變化，吸力面的壓力升高，壓力差減小，導(dǎo)致升力減小，阻力增大，進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)的性能。5.3與數(shù)值模擬結(jié)果對比將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，是驗(yàn)證數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟，能夠深入分析兩者之間的差異及產(chǎn)生原因，為風(fēng)力機(jī)的研究和優(yōu)化提供有力支持。在啟動性能方面，實(shí)驗(yàn)測得的啟動時(shí)間與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在風(fēng)速為3m/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)的啟動時(shí)間約為10s；而數(shù)值模擬預(yù)測的啟動時(shí)間為8s左右。這種差異可能是由于實(shí)驗(yàn)過程中存在一些不可避免的因素，如風(fēng)力機(jī)模型的制造誤差、風(fēng)洞氣流的不均勻性以及測量誤差等。風(fēng)力機(jī)模型在制造過程中，葉片的形狀、尺寸以及表面粗糙度等可能與設(shè)計(jì)值存在一定偏差，這些偏差會影響葉片與氣流之間的相互作用，從而導(dǎo)致啟動時(shí)間的變化。風(fēng)洞氣流在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)可能存在一定的不均勻性，這也會對風(fēng)力機(jī)的啟動性能產(chǎn)生影響。測量誤差也是不可忽視的因素，扭矩傳感器、力傳感器等測量設(shè)備的精度和校準(zhǔn)誤差可能導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)與實(shí)際值存在偏差。功率特性的對比結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)測得的功率輸出與數(shù)值模擬結(jié)果在趨勢上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。在低風(fēng)速階段，實(shí)驗(yàn)功率輸出略低于數(shù)值模擬結(jié)果；在高風(fēng)速階段，實(shí)驗(yàn)功率輸出則略高于數(shù)值模擬結(jié)果。當(dāng)風(fēng)速為6m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得的功率輸出為50W，而數(shù)值模擬結(jié)果為55W；當(dāng)風(fēng)速為12m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)功率輸出為450W，數(shù)值模擬結(jié)果為430W。這種差異的產(chǎn)生可能與數(shù)值模擬中所采用的湍流模型、邊界條件以及網(wǎng)格質(zhì)量等因素有關(guān)。不同的湍流模型對湍流流動的模擬精度存在差