叶尾喷气垂直轴风力机气动性能及获能机理研究

Vertical axis wind turbine (VAWT) has become a research hotspot because of its structural advantages such as wind multi-directional friendly, low noise, low maintenance cost and strong environmental adaptability. This project presents a new method for VAWT with a jet installed at blade trailing edge in order to improve wind turbine aerodynamic performance and power coefficient. The feasibility of this VAWT has been preliminary proved by numerical simulation..To explore the energy harvest mechanism of the VAWT with trailing edge jet, this project intends to conduct parameter optimization by applying different types of airfoils, trailing edge thickness, jet momentum and jet mode. The parameter relationships between the blade geometry, jet mode and the power coefficient will be established. Thus the power generation effect and the application scope of the VAWT with trailing edge jet will be confirmed. The mechanism of vortex generation, evolution and the interaction with the blade will be revealed through high resolution numerical simulation. According to the aerodynamic optimization results, the prototype of new VAWT with blade trailing edge jet will be manufactured and the aerodynamic performance test will be carried out and verified by wind tunnel experiment. The completion of this proposal will reveal the energy harvest mechanism of vertical wind turbine and provide theoretical and technical support to high-efficiency and stable wind turbine in China.

垂直轴风力机因其受风多向性、噪声小、维护成本低、环境适应力强等优势，作为一种可供选择的风力发电机组方式，成为当今研究热点。为改善垂直轴风力机绕流流场结构，提高垂直轴风力机获能效果，本课题提出一种在翼型尾部加装喷气的新型垂直轴风力机，并已通过数值模拟研究初步证明了此类垂直轴风力机的可行性。.为了探明叶尾喷气垂直轴风力机的获能机理，本项目拟先采用参数优化方法，建立翼型几何参数和喷气控制参数与风能利用率之间的关系，进行该种新型垂直轴风力机的气动优化设计，确立叶尾喷气垂直轴风力机获能效果和适用参数变化范围；通过高精度数值计算，详细分析典型工况下垂直轴风力机翼型流场涡结构生成及与翼型相互作用机制；根据气动优化的结果，进行样机加工和环境风洞实验，验证这类新型风力机提高风能利用率及风力机系统功率的实际效果。课题的完成将有助于揭示垂直轴风力机获能机理，为设计我国高效稳定的风力机获能设备提供理论和技术支撑。

“双碳”政策的提出要求我国加速构建清洁低碳安全高效的能源体系，我国风资源丰富，可作为清洁能源以供开发和利用。而风力机作为风能转换的主要装置，已成为当今研究热点。垂直轴风力机因其受风多向性、噪声小、维护成本低、环境适应性强等优势，作为一种可供选择的风力发电方式，得到了越来越多的关注和发展空间。但由于垂直轴风力机上周期大分离流动的产生，使得垂直轴风力机获能效率提升受限。. 本项目针对被动控制方法难以在较大变工况范围内提升风力机气动性能，主动控制方法耗能的问题，提出了一种叶尾喷气式垂直轴风力机，利用尾部科恩达射流在一定程度上改善翼型尾部流场的同时，尾部喷气所产生的反推力能够与叶片所受阻力相抵，从而减小叶片所受总阻力从而提高翼型升阻比的方法。研究表明：叶尾喷气在扣除喷气所需耗能后能够一定程度上在运行尖速比下提高风力机的获能效率，但从叶片绕流场结构来看，叶尾喷气对叶片尾缘处的流场有一定程度的改善，但对于从翼型前缘生成和发展的大分离涡影响较小，故进一步发展提出了联合前缘抽吸和叶尾喷气的垂直轴风力机。前缘抽吸能够有效控制叶片前缘所产生的大分离流动，并在一定程度上简化了主动控制气路，而叶尾喷气所获得的额外推力能够一定程度上弥补和平衡抽吸和喷气所需的耗能损失。以NACA0021翼型为研究对象系统研究了叶片两侧抽吸时抽吸动量和抽吸位置的影响，并将边界层抽吸应用于垂直轴风力机，研究了抽吸动量对风力机获能系数的影响，发现翼型下游最大厚度位置及其相关曲率变化是决定最佳抽吸位置的重要因素。以上研究成果对于叶片流动控制方法和风力机获能效率提升具有一定的工程和学术价值。. 在本项目支持下，主要研究成果以第一资助发表在国内外本领域的一流期刊或一流学术会议上，共包括3篇已发表SCI检索期刊的文章（1篇Energy、1篇Ocean Engineering及1篇Journal of Mechanical Science and Technology）、2篇已接收SCI检索期刊的文章（1篇Journal of Mechanical Science and Technology和1篇Frontiers of Energy Research），申请并授权专利1项。