摘 要

经济社会的发展离不开能源，人们在使用能源的同时更加注重其是否清洁且可再生，尤其是像风力发电这种拥有无限发展潜力的清洁能源。城市绿色建筑更是在最近这两年成为城市融合新能源的是代名词。垂直轴风力发电（Vertical Axis Wind Turbine）是城市风力发电风力机安装的主要类型。本论文将基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)数值模拟的方法，首先利用Soildworks对地铁和隧道的三维模型，然后将其导入Fluent中对其进行网格划分后模拟其地铁隧道的流场环境，求出地铁隧道中地铁以匀速通过时地铁中的风速，再用MATLAB计算风力发电机的所需各种参数，最后设计出合理高效的地铁H型垂直轴风力发电机，并利用就近原则将其供给附近的小型公共用电设施。

关键词：VAWT 计算流体力学 地铁隧道

Abstract

Energy is indispensable for economic and social development. People pay more attention to its cleanliness and renewability while using energy. especially in wind power, which has unlimited development potential. In recent two years, urban green buildings have become synonyms of urban integration of new energy. Vertical Axis Wind Turbine is the main type of urban wind power generation. Therefore, based on the numerical simulation method of Computational Fluid Dynamics, this paper uses Soildworks to simulate the three-dimensional model of Metro and tunnel, then imports it into Fluent to simulate the air flow environment of Metro tunnel, calculates the wind speed in metro tunnel when Metro passes at uniform speed, then calculates the required parameters of wind turbine with MATLAB, and finally designs a reasonable design. Efficient Metro H-type vertical-axis wind turbine is supplied to nearby small public utilities by the proximity principle.

Keywords: VAWT；Computational Fluid Dynamics；subway tunnel

目录

第一章 绪论 1

1.1本课题的目的及研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 风力发电机的类型 3

1.4 课题所需研究的主要内容： 3

第二章 地铁流场分析 5

2.1流体运动的基本方程 5

2.1.1连续性方程 5

2.1.2动量方程 6

2.1.3能量方程 6

2.2地铁流场的建模 7

2.2.1地铁隧道建模 7

2.2.2计算域的确定及网格的划分 7

2.2.3计算结果分析 8

第三章 垂直轴风力发电机的基本理论和风机参数的设计 10

3.1 风力机的基本理论 10

3.1.1H型垂直轴风力发电机 10

3.1.2风轮动量理论 10

3.1.3风轮叶素理论 13

3.1.4风轮的空气特性 14

3.2升力型垂直轴风力发电机 15

3.3风机的整体参数设计 15

3.3.1风轮的设计 15

3.3.2发电机的选取 18

3.4结构参数对风轮气动性能的影响 19

3.4.1叶片安装角对气动性能的影响 19

3.4.2 安装半径对气动性能的影响 21

第四章 风力机连接部件设计及其校核 23

4.1风力机载荷分析 23

4.2 塔架 26

4.3 法兰盘 28

4.4连接臂 29

4.5垂直轴风力发电机装配图 30

第五章 风机总成本估算 31

5.1风机成本估算 31

5.2 安装成本估算 32

第六章 总结与展望 33

5.1总结 33

5.2 展望 33

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1本课题的目的及研究意义

新能源这个词在2008年以后变得流行起来，中国开始大力支持和发展新能源，新能源的形式多种多样，风力发电是其重要的分支之一，在新能源中占有很大一部分比例。几年大型风力发电各方面于趋于成熟，它通常对风场的选址要求相对较高，多采用水平轴风力发电机，并网系统；由于大型风力发电市场趋于饱和，现在许多人把目光投向了小型风力发电，小型风力发电机对风场选址的要求不高，一般采用垂直轴风力发电机，多为离网型系统。一般大型发电厂都距离城市相对较远，在电路运输上电能的损耗相对较多；而小型风力发电易于与城市相结合，就近利用，电能损耗相对较小，使得城市的风力资源得到充分利用。近年来在地铁风力发电成为研究合理利用城市风力资源的一个话题，本文将基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法，利用Fluent解地铁隧道的气流环境，并用MATLAB算，设计出合理高效的垂直轴风力发电机，并就近原则的将其供给附近的公共用电设施。

1.2国内外研究现状

国内研究现状：地铁风力发电是近几年一个相对热门的词，部分研究人员把目光投向了地铁风力发电。地铁风力发电中叶片的外形设计^[1]和空气动态性能是决定风力发电机的效率的重要组成部分。海电力学院闫海津，胡丹梅，李佳^[2]利用Ansys中专门的建模软件和网格划分软件进行软件建模和网格划分，最后利用Fluent软件进行分析，得到地铁流场周围的速度、压力、流动分离图，为以后风力机叶片的再次优化具有一定的指导的意义，而兰州大学李金龙^[3]设计了垂直轴风力机各项参数，并对风力机整体进行模拟仿真研究，郑州大学王巧红，张洛明，李博^[4]采用了Fluent中的具体一些设定对一种小型垂直轴风力发电机的风轮部分进行了模拟与分析，并与先前的实验作对比，为风轮叶型的优化提供了可靠的方法；华北电力大学李春曦，叶学民^[3]从两个方面研究：1从风力机叶片和叶型进行改进，2从风轮外围增加辅助装置来对风力机效率进行优化；重庆大学的巨文斌和武汉理工大学刘猛^[4,9]利用CFD数值模拟方法

对VAWT的空气动力学性能进行计算，并提供了其优化气动特性的方法：增加引流板；重庆大学甘洋^[10]在此基础上从翼型的最大厚度位置前的弧线进行优化，并从引流版的尺寸参数，两风机之间的距离，叶片安装角几个方面综合考虑，优化其气动特性。兰州理工大学李寿图^[11]研究了几种典型具有不同气动特性的垂直轴风力机，研究在低速区运行时风力机产生的尾涡、叶尖涡对叶片的作用。深度分析失速状态下不同形状下的叶尖小翼对其性能的影响以及不同叶片数对两种不同安装方式的影响。近几年人们在使用最佳叶片^[12]的基础上基于PSCAD仿真对地铁发电系统的设计^[13]，采用直驱永磁同步发电机^[14]，通过建模，理论和实践相结合，制定出可行性分析报告，利用列车活塞风能将其转换为电能，供附近的公共用电设施用电^[15]。国外研究现状：丹麦物理学家Poul通过风洞试验，提出“快速风轮”概念于1891年建造出一台具有现代意义价值的风力发电机组，上个世纪风力发电机的叶片都是基于航空翼型，航空翼型相对于最早的风力发电机叶片是具有相对高的效率，但进入二十一世纪，研究人员发现航天翼型已经不能满足风力发电的发展，于是像一些DU系列，FFA-W1,2,3等系列这种专门为风机设计的翼型问世，风力机的气动性能的优化将一直不断地持续下去，Sunny和Kalakanda^[16]通过风洞试验分析了风机功率、发电机轴机械功率、叶尖速比（TSR）和功率系数等性能参数对风力机的影响，为后来Rezaeiha和Abdolrahim^[17]从运行参数：叶尖速比（λ）、雷诺数（Re）和湍流强度（TI）等方面研究来优化风力机的气动特性作铺垫：在此基础上Rezaeiha^[18]又提出从优化桨叶厚度和桨叶数量的研究来优化气动特性；而Tchakoua和 Wamkeue^[19]从研究方法入手,提出一种Paraschivoiu双多流道模型的力学描述的新的电路模型：Tchakoua模型，该模型得出的结果相对其它模型较好；当前水平轴的翼型优化都是基于叶素-动量理论的基础上，垂直轴则是其的衍生，利用MATLAB编制计算机程序进行优化，在全世界大型风力发电趋于成熟的状况下，国外研究人员开始转向对小型风力发电利用进行研究，而城市风能的利用也成为一热门，国外对像风光互补，城市绿色建筑一体化等研究较多，而对地铁隧道风力发电相较于国内相对较少，但还是有人研究，像He Kan和Gao Guang-jun^[20]利用IDDES方法和SST K-W湍流模型对高速列车诱导风驱动的风力发电机在隧道内进行了数值模拟，进而研究地铁风力发电的可行性。1.3 风力发电机的类型风力发电机大致可分为两种形式：一种是水平轴风力发电机，如图1-1所示。它的特点是：对选址要求极高，风向对效率的影响较大、目前世界上水平轴风力发电机发展的比较成熟，多用于大型空旷地域的风力发电。另一种则是垂直轴风力发电机，如图1-2所示。它的特点是：可以安装的地方相对较多，可以接受来自任何方向的风能、不需要偏航装置，多用于小型风力发电。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：