自适应变形叶片的垂直轴风力机气动性能研究

Boosting the development of renewable energy including wind energy is the only way to develop economy and society of China. The wind turbine is the most important component to convert kinetic energy of air flow into electrical energy. The academic research these days has greatly focused on the study of vertical axis wind turbine (VAWT) for its no-aligning wind direction, low noise, flexibility, convenience, safety, as well as easy to maintenance and repair. Therefore, for energy conservation and emission reduction, it is of great importance to study the method of raising wind power coefficient for VAWT as well as to develop high-efficiency low-cost wind kinetic energy converter. Based on the wind energy absorption characteristics of VAWT, this project proposes a new type of adaptive reconfigurable airfoil whose shape varies and self-adapts with the change of surface pressure. Beside, the study on aerodynamic performance and wind energy for this new type of airfoil will be carried out. Furthermore, through applying different types of adaptive reconfigurable airfoils, tensor skins with different tension coefficients, different spar caps and skin bracing structures, the investigation of aerodynamic optimization design for this new type of VAWT will be conducted. The mechanism of how this new type of VAWT raises the wind energy absorption rate as well as the aerodynamic performance will be revealed. At last, based on the aerodynamic optimization results, the prototype of this new VAWT will be manufactured and the aerodynamic performance test will be carried out accordingly. Moreover, with the experiment conducted in the tunnel test, the actual effects of how this new type of VAWT raises wind energy absorption and increases wind energy utilization will be verified.

大力发展包括风能在内的可再生能源是我国经济与社会发展必由之路。风力机是将流动空气的动能转换为电能最关键的部件。垂直轴风力机因其具有无需对风、噪音小、灵活方便、安全可靠和维护简单等优点，成为当今学术界的研究热点。研究如何提高垂直轴风力机的风能利用率和研制高效低成本的风能利用装置对节能减排具有重大意义。本项目针对垂直轴风力机风能吸收特性，提出一种在风力机上安装形状随表面压力自适应变化的叶片的新方法，并研究这类具有可自适应变形叶片垂直轴风力机的气动性能以及风能吸收机理；通过选择不同自适应可变形叶片基本翼型、叶片张力蒙皮的张力系数、叶片大梁及蒙皮支撑结构等参数，进行该种新型垂直轴风力机的气动优化设计研究；揭示可自适应变形叶片垂直轴风力机提高风能吸收率及气动性能的机理；最后根据气动优化结果，进行样机加工与气动性能试验，并利用风洞实验，验证这类新型风力机增大风能吸收和提高风能利用率的实际效果。

本项目研究具有可自适应变形叶片垂直轴风力机的气动性能以及风能吸收机理：1)对叶片两端添加端板的垂直轴风力机进行了数值模拟。适当的端板可有效抑制叶片端部绕流涡强度，改善叶梢附近表面压力分布状况，提高叶片单位展向长度风能利用率。2)模拟不同厚度或弯度翼型垂直轴风力机。相同最大厚度和最大厚度位置的翼型，风力机最大功率系数随着最佳尖速比先增后减。最大厚度位置从前缘移向尾缘，最大相同厚度、不同最大厚度位置对称翼型的功率系数先增后减。3)数值模拟不同尖速比下的H型Darrieus垂直轴水轮机，从涡的观点分析了尖速比对能量转换效率的影响。存在一个最佳尖速比可获得最高能量转换率。4)模拟在不同实度、叶尖速比下二、三和四叶片变形与不变形风力机，发现在不同实度下风力机展现不同的风能利用率；从涡的角度分析三叶片变形与不变形风力机，发现由于变形风力机在旋转过程中叶片形状随压力的改变而改变，使得变形风力机叶片上分离涡脱落现象大大减少。5)通过仿真发现，叶片最大变形量为5%的翼型升力系数在不同攻角下都有更大的提高，但其阻力系数也有一定的提升。在来流攻角为2°至12°时，最大变形量4%的变形叶片相较于其他翼型来说有更高的升阻比。6)参考鱼类骨骼设计变形叶片，并研究其流固耦合过程。针对不同杨氏模量蒙皮进行数值模拟，当杨氏模量为1Mpa时，升力系数有较大提高，而杨氏模量等于10Mpa时，升力系数反有所降低。7)利用分力天平、高速相机和烟线仪在低湍流风洞中进行实验研究。当翼型从NACA0012变形为类似于翼型NACA4412后，升力系数有较为明显提高，其气动性能较NACA0012原始翼型有较好提升。8)对翼型局部进行一定的几何形状设计，并对相应工况下的气动情况进行模拟。. 研究成果还包括：发表标注项目资助论文10篇，包含SCI8篇和EI2篇，其中有1篇为ESI高被引论文；申请发明专利3项；培养硕士研究生7名，已毕业3名；项目负责人和主要参与人皆获得“上海市力学学会优秀青年力学学者”奖项；参加多次国际和国内会议，并作分组汇报。