题目：垂直轴风力机气动性能非定常数值模拟研究

本文基于H型垂直轴风力发电机，使用了计算流体力学的方法，对其风轮部分进行气动性能分析并进行优化设计。

研究主要基于NACA0015航空翼型和DU93-W-210风力机专用翼型，利用ICEM软件对翼型进行二维建模及划分网格，并用FLUENT分别采用S-A湍流模型以及RNG k-e湍流模型对不同攻角下的工况进行数值模拟，结果表明DU-W93-210风力机专用翼型在二维绕流方面表现出较为优良的气动性能。

利用GAMBIT对风力机风轮进行二维及三维的建模及分网，并对其进行非定常的数值模拟研究，对比实验结果验证认为RNG k-e湍流模型在模拟风力机流场时，有准确的结果。数值模拟过程中对比了动网格技术以及滑移网格技术，发现滑移网格技术更适合垂直轴风力机的数值模拟。二维模型的数值模拟中，在分析两种翼型风轮在不同转速下的风能利用系数后，发现NACA0015翼型风轮比DU-W93-210翼型风轮有更好的气动特性。通过对风力机安装角的优化，最大风能利用系数相对于原模型增加4.5%，工作范围有所增加，其风能利用系数平均值增加2%。在对风力机的实度进行优化后，风能利用数最大值相对于原模型提升15%，转速工作范围大幅度增大，并接近最佳尖速比，效果比较明显。

三维模拟中对采用NACA0015风轮进行计算，发现三维数值模拟的风能利用系数以及有效工作范围都比二维数值模拟出的结果要小很多，通过流场分析发现，原因在于二维模拟中无法考慮三维结果中存在的翼梢涡、叶梢的二次流现象以及三维自由流对速度梯度的影响。虽然二维数值模拟结果与三维结果存在不小的差异，但在参数改变后的特性变化保持一致，其差异性也是有规律可循，因此可在研发中使用二维数值模拟代替，最后使用三维模拟結果验证。