垂直轴风力机技术讲座4升力型垂直轴风力机相关理论.pdf

第 27 卷第 4 期可再生能源
年月
2009 8 Renewable Energy Resources Aug. 2009
垂直轴风力机技术讲座( 四)
升力型垂直轴风力机相关理论
李岩
东北农业大学工程学院黑龙江哈尔滨
( , 150030)
中图分类号: TK83 文献标志码: B 文章编号: 1671-5292(2009)04-0121-03
1 概述虑风速在风轮内部的变化情况,这就是升力型垂直轴风力
以达里厄风力机和直线翼垂直轴风力机为代表的升机气动特性较为复杂的主要原因。
力型垂直轴风力机,虽然形状相对简单,但其气动特性却研究风穿过垂直轴风力机时的流场的主要理论就是
非常复杂。目前,用于升力型垂直轴风力机气动计算和设流管理论,其中又包括多种模型,最简单的就是均匀流模
计的常用方法及其相关理论模型主要有模型法和数值计型(图 2)。该模型认为,来流穿过风力机时的风速是保持
算法两大类(图 1)。模型法是研究较多、应用较广的方法, 不变的。显然,利用这种理论计算风力机性能的精度不高,
它利用空气动力学和流体力学的理论,借助水平轴风力机因为风作用在风力机上使风力机从风中获得了能量,作为
的分析方法,建立动量模型、涡流模型和叶栅模型。数值计反作用力,风力机对来流起到一种阻挡作用,所以在风力
算法是近几年出现的,已成为升力型垂直轴风力机计算和机风轮内部,风速是降低的。
流管
设计一种主要方法。
动量理论
叶素理论 V V V
动量模型叶素动量复合理论
均匀流模型
图 2 均匀流模型
单流管模型
模型法
流管理论将风力机考虑进来,推导出风流经风力机时的流动情
多流管模型
况的理论是单流管模型如图所示该模型假定风力机
自由尾流模型。 3 ,
双多流管模型
涡流模型整体被包含在一个单一流管之中通过计算风力机在流管
固定尾流模型,
叶栅模型内的能量收支来求得风力机的气动特性。 1974 年该理论
由首先提出并应用到达里厄风力机的气动特性
方程 Templin ,
NS
数值计算法计算上来。同时这也是首次将风力机制动盘理论应用到达
湍流法
里厄风力机上。但与水平轴风力机的 Gluert 制动盘理论不
图升力型垂直轴风力机计算设计的主要方法及模型
1 同的是,流管理论中的制动盘是指风轮转动所形成的假想
2 模型法旋转体的表面,并假定在其内部流速是一定的。该理论考
动量模型虑到了翼型失速、叶片几何形状、风轮实度以及高径比等
与分析水平轴风力机叶片气动特性一样分析升力型影响
, 。流管
垂直轴风力机叶片气动特性的理论, 主要有动量理论、叶
素理论和叶素动量复合理论。然而,水平轴风力机叶片的
V Va Vw
旋转面与风向垂直,即来流只穿过风轮一次,而对于垂直
轴风力机来说,风轮旋转面与来流平行,风要流入风轮旋
转体内部。因此,除了要考虑叶片处的气动特性外,还要考图 3 单流管模型
收稿日期: 2009-07-10。
李岩男博士副教授国家自然科学基金项目主持人主要从事风能研究和各种可再生能源的综合利用与开发
作者简介: (1972-), , , , , 。