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研究生: 蔡元智
Tsai, Yuan-Zhi
論文名稱: 陣風條件下垂直軸風力發電機之模擬
Simulation of Vertical Axis Wind Turbine Under Gust Conditions
指導教授: 林三益
Lin, San-Yi
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 84
中文關鍵詞: 陣風垂直軸風力發電機Ansys CFXShear Stress Transport直線翼
外文關鍵詞: gust, VAWT, Ansys CFX, Shear Stress Transport, Straight blade, Giromill
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  • 本研究使用利用商業套裝軟體Ansys CFX探討陣風條件下之直立葉片式垂直軸風力發電機之流場及其翼面受力情形。吾人使用ANSYS CFX高階數值方法,採用剪應力傳輸(Shear Stress Transport)紊流模型與分離渦流模擬法DES(Detached Eddy Simulation)來模擬風車流場。計算革點由四邊形(Quadrilateral mesh)/六面稜柱(Prism Meshing)組成, 葉片在周期性周期性旋轉條件下求解非穩態不可壓縮納維-斯托克斯方程式(Navier-Stokes equations)陣風模式依IEC61400-1定義陣風模式。
    首先模擬圓柱繞流之流場模擬,以了解邊界條件設定、網格建構及流場之設定影響,並與相關之數值研究及實驗數據比較進行評估。接著模擬NACA0015翼剖面之流場,對不同攻角下是否有失速(stall)情形做對比,最後使用NACA0022之直立葉片式模型進行模擬,並與相關角動量之實驗值做比較。研究不同位置及尖速比下,陣風對定速旋轉垂直軸風力發電機之受力影響,陣風模式依IEC61400-1定義陣風模式,在不同陣風係數下,對扇葉受力及力矩之影響,並對模擬結果進行分析。

    This research uses commercial software,Ansys CFX,to investigate the flow-field for a Straight-Blade VAWT under gust conditions. In the ANSYS CFX,we use a high resolution scheme and shear stress transport turbulence model with translational periodicity and detached eddy simulation to simulate the flow-field of VAWT with gust flow.The grid system is a combinations of quadrilateral / prism meshing.The incompressible Navier - Stokes equations are solved.The gust model is defined by the IEC61400-1.
    First,the flow around a circular cylinder is simulated to understand the setting affects of boundary conditions and grid construction in the flow field.The numerical researchs are compared with the experimental data.Then the flow over an NACA0015 aerofoil is simulated under different angles of attack.Finally,the flow field past a VAWT with NACA0022 airfoil is simulated. We Investigate the force behavior of VAWT under a gust in flow. We sutudy the force and momentum in the airfoil under different gust model.

    中文摘要 I Abstract III 誌謝 V 符號說明 XII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.1.1太陽能 1 1.1.2潮汐能 2 1.1.3地熱能 2 1.1.4生質能 3 1.1.5風能 3 1.2 文獻回顧 4 1.3 內容大綱 7 第二章 風能基礎理論 10 2.1 風機的分類 10 2.2 動量理論 11 2.3 Betz功率係數上限 12 2.4 無因次化參數 13 2.5 陣風風場特性 15 第三章 數值方法 16 3.1 幾何外型 16 3.2 網格生成(Mesh) 17 3.3 統御方程式 17 3.3.1連續方程式(Continuity Equation): 17 3.3.2動量方程式(Momentum Equation): 17 3.4紊流模型(Turbulence Models) 19 (1)K-epsilon模型 19 (2) Baseline(BSL) k-ω模型 20 (3) 剪應力傳輸 (SST)模型 21 3.5壁面函數 21 第四章 程式驗證 23 4.1圓柱繞流之驗證 24 4.2 NACA0015翼截面之剪應力傳輸(SST)紊流模型驗證 25 4.3 NACA0015二維模型驗證 26 4.4 直線型(Straight-blade)NACA0022驗證 27 第五章 結果與討論 29 5.1三葉片直線翼NACA0022(VAWT)停機狀態下之模擬 29 5.1.1均勻入流條件結果 30 5.1.2陣風入流條件陣風係數GF=1.76結果 31 5.1.3陣風入流條件陣風係數GF=2.04結果 32 5.2三葉片直線翼NACA0022(VAWT)-相同尖速比(TSR)下不同 陣風頻率之風場 33 5.3 結果整理 35 第六章 結論與未來展望 37 6.1結論 37 6.2未來展望 38 參考文獻 39 表 43 表2. 1垂直軸與水平軸比較【20】 43 表3. 1自動體網格類型與生成方法概述【23】 45 表4. 1圓柱繞流阻力係數(Cd)比較表【14】 46 表4. 2 NACA0015阻力係數(Cd)比較表【15】 46 表4. 3 NACA0015阻力係數(Cl)比較表【15】 46 表5. 1 三葉片NACA0022於穩態風場受力 47 表5. 2 三葉片NACA0022於穩態風場受到扭矩 47 表5. 3 三葉片NACA0022於陣風係數1.76下陣風風場受力 48 表5. 4 三葉片NACA0022於陣風係數1.76下陣風風場受扭矩 49 表5. 5 三葉片NACA0022於陣風係數2.04下陣風風場受力 49 表5. 6 三葉片NACA0022於陣風係數2.04下陣風風場受到扭矩 50 圖 51 圖2. 1 Blyth's "大風車"【4】 51 圖2. 2 風力發電機分類 54 圖2. 3 Betz理想制動圓盤【21】 54 圖2. 4 Betz’s law 55 圖2. 5 常見風力發電機功率係數圖【28】 56 圖2. 6 動量理論 【13】 56 圖2. 7 陣風風場 57 圖3.1 ICEM-CFD網格建立流程 57 圖3. 1 計算流程圖 58 圖3. 2 紊流模型簡圖 59 圖4. 1 圓柱繞流流域示意圖【14】 59 圖4.2 NACA0015網格分布圖 60 圖4.3 流場網格分布 61 圖4. 4 流場網格分布(二) 61 圖4.5 NACA0015截面網格參數 62 圖4. 6 邊界設定-對稱 62 圖4. 7 scheme設定 62 圖4. 8 NACA0015 CFX程式阻力變化情形 64 圖 4. 9 NACA0015阻力係數 65 圖4. 10 NACA0015升力係數之比較 66 圖4. 11 三葉片NACA0015模型 疏密比σ=1.5 67 圖4. 12 三葉片NACA0015流域設定 67 圖4. 13 三葉片NACA0015紊流模型設定 68 圖4. 14 三葉片NACA0015與carrigan【16】比對 68 圖4.15 Howell之計算流域 69 圖4.16 網格交界面設定 69 圖4. 17 計算流域俯視圖 70 圖4. 18 計算流域45度仰角 70 圖4. 19 尖速比=1.5 扭矩係數處理 71 圖4.20 扭矩係數對比 71 圖5. 1 不同頻率下之陣風示意圖 72 圖5. 2 NACA0022葉片在不同頻率下陣風隨時受力圖 72 圖5. 3 NACA0022葉片在不同頻率下陣風隨時力矩圖 73 圖5. 4 受力在周期內的平均 73 圖5.5 扭矩在週期內之平均 74 圖5. 6 受力與扭矩方向示意圖 75 圖5.7 旋轉角度為0度時葉片分布情形 75 圖5. 8 旋轉角度為20度時葉片分布情形 76 圖5. 9 旋轉角度為40度時葉片分布情形 76 圖5. 10 旋轉角度為60度時葉片分布情形 77 圖5. 11 旋轉角度為80度時葉片分布情形 77 圖5.12 旋轉角度為100度時葉片分布情形 78 圖5.12三葉片NACA0022於穩態風場所受扭矩 79 圖5.13三葉片NACA0022於陣風係數為1.76之流場受力 79 圖5.14三葉片NACA0022於陣風係數1.76之流場所受扭矩 80 圖5.15三葉片NACA0022於陣風係數2.04之流場下受力 80 圖5.16三葉片NACA0022於陣風係數2.04之流場所受扭矩 81 圖5. 17 旋轉角度為0度時於穩態流場下XZ截面之流線圖 82 圖5. 18 旋轉角度為20度時於穩態流場下XZ截面之流線圖 82 圖5. 19 旋轉角度為40度時於穩態流場下XZ截面之流線圖 83 圖5. 20 旋轉角度為60度時於穩態流場下XZ截面之流線圖 83 圖5. 21 旋轉角度為80度時於穩態流場下XZ截面之流線圖 84 圖5. 22 旋轉角度為100度時於穩態流場下XZ截面之流線 84

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