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第38卷第3期 河海大学学报(自然科学版) V01．38No．3 ofHohai 2010 2010年5月 Journal University(NaturalSciences) May DOI：10．3876／j．issn．1000-1980．2010．03．019 基于计算流体动力学的S型风力机性能分析 徐小韵，郑 源，赵振宙，刘文明 (河海大学水利水电学院，江苏南京210098) 摘要：以单位宽度功率为指标，采用标准肛￡湍流模型及SIMPLE算法，研究叶片高度对S型风力 机性能的影响．从等过风面积和等直径2种工况出发，选取4个不同系列的高径比口，对风力机进 行三维数值模拟．模拟结果与根据厶口准则提出的从增加叶片高度来提高风力机单位宽度功率的 可行方案吻合；同时得出，当口=6时，风力机性能最优． 关键词：s型风力机；计算流体动力学；单位宽度功率；高径比；风能利用系数 文献标志码：A 文章编号：1000一1980(2010)03—0332—05 中图分类号：TM614；TK8 半圆叶片交错成S形，简称为S型风力机．S型风力机因转速较低，风能利用系数(C。一0．15)低于水平轴风 维修及安装方便、无需调风装置和启动力矩大等优点【舶J，因此近年来诸多学者主要从叶片个数、偏心距、上 下盖板几个方面【7-9j对其进行研究，以提高其风能利用系数． 此外，关于风力机叶片几何尺寸(包括叶片直径d，旋转直径D，叶片高度日)的研究主要集中在原模型 的对比实验上，而对于高度直径比研究甚少．如，最初洲璐…通过对比30多种叶片几何尺寸，在风洞和自 然风下进行风力机的模型和原型测试，得出相同风速下，风力机在自然风中转速更高的结果．随后，Bach【loJ 性能对比实验和数值计算时，发现风洞对测试结果有一定的干扰，风力机原型的性能与模型测试结果存在偏 差，得到的最高风能利用率为0．20． 一定的影响．因此，本文以单位宽度功率为指标，探讨了高度对s型风力机性能的影响规律，采用计算流体动 fluid 力学(computational 下叶片高度对单位宽度功率的影响． 1风能理论与厶仃准则 1．1风能理论 风能利用系数c。为风力机输出功率与风能的比值： C一2菇知 (1) 其中P=∞M S=H(2d—e1=HD 式中：P——风力机输出功率，w；S——风力机过风面积，m2；ID——空气密度，通常取1．25ks／m3；c——风 直径，m；Ⅳ——叶片高度，m． 尖速比．：【为叶片线速度与来流风速的比值： 收稿日期：2009—05—15 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划(2006BAAO!A27—3)；国家高技术研究发展计划(863计划)(2009AAOSZ429) 万方数据 第3期 徐小韵，等基于计算流体动力学的s型风力机性能分析 333 ．：I：丛 (2) 式中尺为风力机旋转半径，m． 力矩系数C。为 C。=砸菇M丽 (3) 1．2厶仃准则 Ira准则[12。13]是相同机械应力下水平轴与垂直轴风力机单位宽度功率的比较准则，其中，￡为过风面积 的宽度，即风力机的旋转直径D，口为叶片的机械应力．该准则提出了单位宽度功率的概念(即风力机垂直于 迎风面单位宽度上的功率)，指出风力机在考虑叶片所受机械应力时，相比其他高转速的风力机，S型风力机 单位宽度功率更大．单位宽度功率为 PL，||!，=Cp。,p号R譬=吉cp—P兀D