题目：新型垂直轴复合材料叶轮设计、制备与气动特性评价

 

近年来，风能利用越来越受到人们的重视。相比于水平轴叶轮，垂直轴叶轮具有低噪音、可设计性强、维护简便、无需对风向等优点，应用前景广阔。不同于水平轴叶轮，垂直轴叶轮气动原理复杂，其设计和研究通常是通过数值模拟和风洞实验进行。复合材料作为一种轻质高强的新材料，在垂直轴风轮中的应用可以有效改善叶轮的气动性能，同时，在风电行业的应用已经非常广泛。

本文制备了四种不同翼型复合材料直叶片。采用自主设计组建的垂直轴叶轮测试系统进行了风洞实验，测试了不同翼型垂直轴叶轮的转速-风速曲线，研究了安装角度对叶轮气动性能的影响。研究结果表明：在0~10°安装角度下，对称翼型的启动性能及低风速下的性能较差，但高风速下的性能明显优于其他翼型；相反，弯度翼型的启动性能优于对称翼型，但高风速下的性能较差。在本实验范围内，1、2、3、4号翼型叶轮都存在一个最优安装角度，分别为5°、7°、5°、10°。

为进一步提高弯度翼型叶轮在高风速下的气动性能，本文研究了仿生非光滑减阻表面对垂直轴叶轮的影响。首先，通过扫描电子显微镜观察了信鸽翅膀不同位置羽毛的表面结构。进而，模拟信鸽羽毛沟槽特征制备了非光滑表面的复合材料叶片，研究了非光滑表面结构位置对叶轮气动性能的影响，研究结果表明：相比于贴四氟布制作的全光滑叶轮，在叶片外侧构建非光滑表面的叶轮转速，在风速14m/s时提高了4%，在风速15m/s时提高了5%；外侧后1/2非光滑叶轮在14m/s下的转速比贴四氟布制作的光滑叶轮提高7.4%，在风速15m/s下的转速提高了8.7%。

最后，本文设计并制备了一种带有硅橡胶弹性段的弹性叶片，通过力学试验机配合自制夹具研究了弹性叶片段在不同载荷下的变形情况，并通过气动计算得到了不同风速下弹性叶片的变形量，结果表明：2层斜纹布铺层蒙皮配合40%硅油添加比例的硅橡胶制成的弹性叶片，在保证了叶片气动外形的前提下，叶片在设计风速（6-20m/s）下依然具有1-4mm的变形量，有望在实际应用中提高叶轮的气动性能。