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研究生： 石忠憲
Shih, Chung-Hsien
論文名稱： 翼尖帆應用於水平軸風機數值模擬
Numerical Simulation of the Application of Winglet on Horizontal Axis Wind Turbine
指導教授： 林三益
Lin, San-Yih
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： 2014
畢業學年度： 102
語文別： 中文
論文頁數： 82
中文關鍵詞： 水平軸風機 、翼尖帆 、Ansys CFX 、剪應力傳輸 、分離渦流模擬
外文關鍵詞： HAWT, Winglet, Ansys CFX, SST, DES
相關次數： 點閱：110  下載：6 
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    • 本研究使用數值方法模擬額定風速下水平軸風機葉片的流場及物理性質分析。吾人使用商業套裝軟體ANSYS CFX高階解析方法，葉片在靜止條件下及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）。紊流模型選擇剪應力傳輸SST(Shear Stress Transport) 與分離渦流模擬法DES(Detached Eddy Simulation)兩種方法或合在一起來模擬分析。計算格點由ANSYS ICEM CFD 產生非結構性網格，採用混合型網格，於葉片模型周圍建立棱柱型網格(Prism Mesh)來模擬邊界層黏性流場，其他計算領域則採用四面體網格(Tetrahedron Mesh )。
    首先選了幾個簡單的例子:圓柱繞流、NACA0012翼剖面之流場模擬和NREL-5MW 風機的葉片流場模擬，藉此了解邊界設定、紊流模組及網格結構對於流場的影響，並與相關的論文資料來做數值的比對。再來使用由美國萊特州立大學機械材料工程科系教授Zifeng Yang所設計製造的水平軸風機葉片為主要探討對象，並以其為參考標準，針對葉片頂端加裝Zifeng Yang所設計之翼尖帆(Winglet)來進行模擬分析。靜止條件下，模擬有無翼尖帆葉片的流場壓力、流場速度及受力情形。旋轉條件下，模擬有無翼尖帆及改變翼尖帆長度之葉片的流場壓力、流場速度、發電功率及產生噪音大小。對其模擬結果進行分析，並討論翼尖帆對於葉片氣動力特性及流場之影響。

    This research uses commercial software, ANSYS CFX, to simulate the flow-field and to investigate physical property for the blade of horizontal axis wind turbine (HAWT) under normal wind speed. In the ANSYS CFX, we use a high resolution scheme and unsteady incompressible Navier - Stokes equations to simulate the flow field of the HAWT. The grid system is unstructured mesh which is generated by ANSYS ICEM CFD. The turbulence model is shear stress transport (SST) and detached eddy simulation (DES) .
    The investigated blade is designed by Zifeng Yang. A winglet in the tip of the blade is used to study it effects on the wind power efficiency and noise. Under stationary condition, the blade with or without winglet is simulated. Under rotating condition, the blade with winglet, without winglet, and with length-changed winglet are simulated for pressure, velocity, power efficiency, and noise. The final results show the winglet can reduce pressure in the flow field and promote power efficiency, but it is only difference on the noise level.

    目錄 摘要 I Extended Abstract III 誌謝 VII 目錄 VIII 符號說明 XIV 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 1 1-3 文獻回顧 2 1-4 內容大綱 5 第二章 風能基礎理論 7 2-1 風機種類介紹 7 2-2 動量理論 8 2-3 Betz功率係數上限 9 2-4 無因次化參數 10 2-5 風機噪音[15] 11 第三章 數值方法 13 3-1 幾何外型 13 3-2 網格生成 13 3-3 統御方程式 14 3-4 紊流模型(Turbulence Models) 15 3-5 噪音模型 18 3-6 快速傅立葉轉換[21] 20 3-7 壁面函數 21 第四章 物理模型驗證 22 4-1 圓柱繞流之驗證 22 4-2 NACA0012翼剖面之流場模擬驗證 23 4-3 NREL-5MW 風機之葉片流場模擬 25 第五章 結果與討論 27 5-1 靜止狀態下有無翼尖帆葉片之流場模擬 27 5-2 旋轉狀態下有無翼尖帆與改變翼尖帆長度葉片之流場模擬 29 5-3 噪音分析 32 第六章 結論與建議 35 6-1 結論 35 6-2 建議 36 參考文獻 38 表 42 表3-1 自動體網格類型與生成方法概述[17] 42 表4-1 圓柱繞流阻力係數(C_D)比較表[23][24] 44 表4-2 圓柱繞流渦流長度比(γ)比較表[23][24] 44 圖 45 圖2-1 水平軸風力發電機[12] 45 圖2-2 垂直軸風力發電機[12] 45 圖2-3 風機之分類[13] 46 圖2-4 無限長流管[11] 46 圖2-5 Betz理想制動圓盤[14] 47 圖2-6 貝茲定率曲線 47 圖2-7 常見風力發電機功率係數圖[13] 48 圖2-8 風流經葉片造成的現象[16] 48 圖3-1 水平軸風機模型 49 圖3-2 葉片及翼尖帆模型 49 圖3-3 ICEM-CFD網格建立流程 50 圖3-4 計算流程圖 50 圖3-5 紊流模型簡圖 51 圖4-1 圓柱繞流之流域 51 圖4-2 圓柱繞流不同雷諾數下壓力分布圖 52 圖4-3 圓柱繞流不同雷諾數下速度u分布圖 53 圖4-4 圓柱繞流不同雷諾數下速度v分布圖 54 圖4-5 圓柱繞流不同雷諾數下流線圖 55 圖4-6 NACA0012翼剖面流場模擬之流域 56 圖4-7 NACA0012雷諾數100阻力係數之比對[25] 57 圖4-8 NACA0012雷諾數100升力係數之比對[25] 57 圖4-9 NACA0012雷諾數1000000阻力係數之比對[26] 58 圖4-10 NACA0012雷諾數1000000升力係數之比對[26] 58 圖4-11 NREL-5MW風機葉片流場模擬之流域 59 圖4-12 NREL-5MW風機葉片截面之翼型[27] 59 圖4-13 NREL-5MW風機葉片幾何模型[27] 60 圖4-14 NREL-5MW風機各段葉片在0.8秒時扭矩值之比對 60 圖5-1 未裝置翼尖帆之葉片 61 圖5-2 原始尺寸翼尖帆之葉片 61 圖5-3 翼尖帆長度縮短0.5倍之葉片 62 圖5-4 翼尖帆長度增長1.5倍之葉片 62 圖5-5 本研究葉片流場模擬之三分之一流道 63 圖5-6 未裝置翼尖帆葉片x方向受力變化情形 64 圖5-7 原始尺寸翼尖帆葉片x方向受力變化情形 64 圖5-8 未裝置翼尖帆葉片y方向受力變化情形 65 圖5-9 原始尺寸翼尖帆葉片y方向受力變化情形 65 圖5-10 未裝置翼尖帆葉片z方向受力變化情形 66 圖5-11 原始尺寸翼尖帆葉片z方向受力變化情形 66 圖5-12 未裝置翼尖帆葉片之壓力分布圖 67 圖5-13 原始尺寸翼尖帆葉片之壓力分布圖 67 圖5-14 未裝置翼尖帆葉片之速率分布圖 68 圖5-15 原始尺寸翼尖帆葉片之速率分布圖 68 圖5-16 Expression功能－建立功率之函式 69 圖5-17 未裝置翼尖帆葉片之功率係數變化情形 70 圖5-18 原始尺寸翼尖帆葉片之功率係數變化情形 70 圖5-19 翼尖帆長度縮短0.5倍葉片之功率係數變化情形 71 圖5-20 翼尖帆長度增長1.5倍葉片之功率係數變化情形 71 圖5-21 未裝置翼尖帆葉片之壓力分布圖 72 圖5-22 原始尺寸翼尖帆葉片之壓力分布圖 72 圖5-23 翼尖帆長度縮短0.5倍葉片之壓力分布圖 73 圖5-24 翼尖帆長度增長1.5倍葉片之壓力分布圖 73 圖5-25 未裝置翼尖帆葉片之速率分布圖 74 圖5-26 原始尺寸翼尖帆葉片之速率分布圖 74 圖5-27 翼尖帆長度縮短0.5倍葉片之速率分布圖 75 圖5-28 翼尖帆長度增長1.5倍葉片之速率分布圖 75 圖5-29 三分之一流道與全流道速率分布圖比較 76 圖5-30 本研究葉片流場模擬之全流道 77 圖5-31 葉片後方40公尺的各個旋轉角度之觀測點 77 圖5-32 各個旋轉角度定義 78 圖5-33 旋轉角度與聲壓級關係圖 78 圖5-34 原始尺寸翼尖帆葉片後方40公尺壓力變化情形 79 圖5-35 振幅與頻率關係圖 79 圖5-36 旋轉0度之渦流分布圖 80 圖5-37 旋轉24度之渦流分布圖 80 圖5-38 旋轉48度之渦流分布圖 81 圖5-39 旋轉72度之渦流分布圖 81 圖5-40 旋轉96度之渦流分布圖 82 圖5-41 旋轉120度之渦流分布圖 82

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    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2016-07-15公開
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