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垂直轴风力机结构数值模拟分析

目录

垂直轴风力机结构数值模拟分析1

第1章数值模拟1

1.1简化模型1

1.2网格划分1

1.3边界条件2

1.1.1入口边界条件2

1.1.2出口边界条件2

1.1.3定义运动壁面3

1.4收敛性判断3

第2章数值结果与分析4

2.1速度云图4

2.2压力云图5

2.3力矩5

第1章数值模拟

1.1简化模型

垂直轴风力机的结构包括很多，如：轮、电路系统和传动系统等。本文主

要研究片表面的流动情况，所以只需要考虑轮中片部分的运转情况。所以

本试验只需对创建片2维模型。

1.2网格划分

本章主要研究8米每秒的均匀来流风速的条件下垂直轴风力机片表面及

尾迹的流动特征。

可以将双片风力机流场2维模型划分为三部分，分别是风场域、片旋转

域和片域。在风场域中是设定整个过程的边界条件，根据已知可得边界条件只

需要设置进口风速和出口压力。片处于不同位置时流场的变化可以用片旋转

域模拟。不同片以及他们的组合状态可以使用片域进行模拟。网格如图3-1

所示。

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图3-1网格

1.3边界条件

边界条件是求解域边界上所求的变量随时间的发生的改变。确定的定边界条

件，才能璃有明确的解S。在求解CFD问题中，边界条件的给定至关重要，具

体边界条件设定如下：

1.1.1入口处边界条件

入口边界条件是指在进口处规定的一些参数。本试验只需要设置速度入口，

给定来流风速8m/s,规定湍流强度为5%,水力直径为Im。

1.1.2出口边界条件

出口边界条件包括压力出口边界等参数。本试验只进行压力出口边界条件的

设定，压力边界条件是指模型的出口静压，本试验出口静压规定为OPa,同样规定

湍流强度为5%,水力直径为Im。

1.1.3定义运动壁面

对四个轮面的运动状态进行规定。如图3-2所示，设置四个轮面相对于

相邻区域是旋转的并且转动速度与周围流体区域的转动速度相同，保持相对静止。

1.4收敛性判断

数值模拟计算是否准确可靠，收敛新是一个很重要的盘踞，只有结果最终收

敛，数值模拟的计算结果才有意义。稳态求解有三种方法判别是否收敛：

(1)当残差收敛曲线降低金所设置的收敛标)隹时，认为其收敛；

(2)监视物理量。当物理量曲线逐渐趋于稳定时，认为其收敛；

(3)查看边界通量是否达到平衡。

本次数值模拟的残差图如图3-2所示。

图3-2残差图

根据上图发现动量方程曲线、x轴方向速度曲线、y轴方向速度曲线都在大

约迭代到550步后趋于稳定；k方程曲线和8方程曲线趋于稳定大约在350步之

后。根据上述三种判断方法中的第二种，认为此次迭代达到收敛。

第2章数值结果与分析

2.1速度云图

图4-1是整个计算区域的速度分布图，从图中可以看出片A周围的流速明

显大于来流风的流速的流速，而片C周围的流速明显小于来流风的流速，再

观察图片A和片C发现片A几乎与来流风平行，而片C与来流风几乎

垂直。在观察片B与片D,发现片B与片D周