臺灣博碩士論文加值系統

本研究使用計算流體力學軟體Fluent，以及使Pro/Engineer、Gambit、 Tecplot進行具擴散器水平軸風車性能研究。
本研究主要分為兩大部分，第一部分為研究各種擴散器之參數，以尋找最佳加速效率之擴散器。其中研究項目包含擴散器(diffuser)與噴嘴(nozzle)之加速效率比較，以及擴散器主體長度、擴散器擴散角度、Flange、Inlet shroud等參數探討。第二部分為確認最適當之擴散器形式後，將擴散器與葉片做結合，計算其葉片所產生之扭矩( torque )與功率係數C_P值。
本研究結果顯示雙葉片與三葉片兩種形式之風車，使用本研究之擴散器形式皆能使風車提升不錯的效率。本研究所使用之小型水平軸風車其葉片之流場為層流，若設成紊流，則葉片上之摩擦阻力過大，使計算所得之扭矩過小，但效率較佳擴散器之流場皆為紊流，如何將這兩者結合在一起有待進一步研究。

This study used the computational fluid dynamics software, Fluent, and computer aided design softwares, Pro/Engineer, Gambit, and Tecplot to study the flow field of horizontal-axis wind turbine, HAWT, with diffusers.
This study was divided into two parts. The first part studied the effects of various parameters on the acceleration performance of a diffuser. These parameters included diffuser body length, expansion angle, flange, and inlet shroud. The second part investigated the effects of combining the blades and diffuser. We calculated the torque generated by the blades and the corresponding power coefficient.
The results of this study show that the addition of diffuser can improve the efficiency of small HAWTs. We also found that the flow field of small HAWTs is laminar flow. When a turbulent flow was assumed in Fluent, the calculated torque became too small, because the friction drag on the blades was too large. The flow in the diffusers which provide better acceleration is turbulent, but the flow in small HAWTs is laminar. How to combine these two flow fields together needs further study.

目錄
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 風車類型與功能 3
2.2風級之規範 5
2.3風車之空氣動力學 8
2.3.1風車葉片性能 8
2.4擴散器效應 15
第三章 研究方法 18
3.1數值模擬流程 18
3.2數值方法 20
3.2.1統御方程式 20
3.2.2紊流模式 21
3.2.3壓力速度耦合 22
第四章 研究結果與討論 24
4.1擴散器與噴嘴之比較 24
4.2擴散器最佳化 28
4.2.1擴散器主體長度 28
4.2.2 Flange 30
4.2.3 Inlet shroud 32
4.3 擴散選器形式擇 35
4.3.1紊流與層流模式之比較 35
4.3.2擴散器主體長度與類型 41
4.3.3擴散器之擴散角度 45
4.4擴散器與葉片之結合 46
4.4.1具外罩之雙葉片風車 48
4.4.2具外罩之三葉片風車 55
第五章 總結與未來展望 62
5.1總結 62
5.2未來展望 63
參考文獻 64


表目錄
表2-1 蒲福氏風級表 6


圖目錄
圖1-1 歐洲海上風電年裝機容量(MW) 2
圖2-1 水平軸風車 4
圖2-2 垂直軸風車 4
圖2-3 葉片角度與受力分析 8
圖2-4 空氣流動穿越葉片的情況 11
圖2-5圓盤(actuator disk)受力情況 11
圖2-6含flange之具擴散器風車 15
圖 2-7 含inlet shroud和flange之具擴散器風車 17
圖3-1數值模擬流程圖 19
圖4-2擴散器入口風速再不同擴張角度之比較 25
圖4-4擴散器之速度向量圖，擴張角6° 27
圖4-5噴嘴之速度向量圖，收縮角6° 27
圖4-6 擴散器長度L之加速效果比較 29
圖4-7擴散器L=0.4m，擴散角6°之速度向量圖 29
圖4-8擴散器L=6m，擴散角6°之速度向量圖 30
圖4-10擴散器Flange H/D為0.2之速度向量圖 31
圖4-11擴散器Flange H/D為0.85之速度向量圖 32
圖4-12 加裝Inlet shroud之加速效果比較 33
圖4-13擴散器inlet shroud為10度之速度向量圖 33
圖4-14擴散器inlet shroud為20度之速度向量圖 34
圖4-15擴散器inlet shroud為40度之速度向量圖 34
圖4-16三葉片螺距角3°、層流與紊流、有無擴散器功率係數比較(一) 37
圖4-17三葉片螺距角3°、層流與紊流、有無擴散器功率係數比較(二) 37
圖4-18三葉片含擴散器之風機層流模式扭矩圖 39
圖4-19三葉片含擴散器之風機紊流模式扭矩圖 39
圖4-20三葉片含擴散器之風機層流與紊流模式總扭矩比較圖 40
圖4-21設為層流時擴散器擴散角度6°之速度向量圖 42
圖4-22設為層流時擴散器擴散角度10°之速度向量圖 42
圖4-23設為層流時擴散器擴散角度14°之速度向量圖 43
圖4-24設為層流時擴散器主體長度為L/D=1/3、擴散角度16°之速度向量圖 43
圖4-25 設為層流時airfoil擴散器、擴散角度16°之速度向量圖 44
圖4-26 短擴散器之擴散角度(expansion angle)加速比較圖 45
圖4-27 NACA4415翼剖面圖 46
圖4-28擴散器含H/D=0.25之flange速度向量圖(一) 47
圖4-29擴散器含H/D=0.25之flange速度向量圖(二) 47
圖4-30使用Pro/Engineer軟體繪製之具擴散器雙葉片風車圖 49
圖4-31具擴散器之雙葉片、螺距角7.5°風車網格生成全貌圖 49
圖4-32葉片旋轉區域附近網格加密圖 50
圖4-33風車葉片網格加密區塊圖 50
圖4-35雙葉片、螺距角3°之功率係數CP比較圖 51
圖4-36雙葉片、螺距角5°之總扭矩(torque，n‧m)比較圖 52
圖4-37雙葉片、螺距角5°之功率係數CP比較圖 52
圖4-38雙葉片、螺距角7.5°之總扭矩(torque，n‧m)比較圖 53
圖4-39雙葉片、螺距角7.5°之功率係數CP比較圖 53
圖4-40具擴散器之雙葉片風車之總扭矩(torque，n‧m)比較圖 54
圖4-41具擴散器之雙葉片風車之功率係數CP比較圖 54
圖4-42使用Pro/Engineer軟體繪製之具擴散器三葉片風車圖 56
圖4-43具擴散器之三葉片、螺距角7.5°風車網格生成全貌圖 56
圖4-44葉片旋轉區域附近網格加密圖 57
圖4-45風車葉片網格加密區塊圖 57
圖4-47三葉片、螺距角3°之功率係數CP比較圖 58
圖4-48三葉片、螺距角5°之總扭矩(torque，n‧m)比較圖 59
圖4-49三葉片、螺距角5°之功率係數CP比較圖 59
圖4-50三葉片、螺距角7.5°之總扭矩(torque，n‧m)比較圖 60
圖4-51三葉片、螺距角7.5°之功率係數CP比較圖 60
圖4-52具擴散器之三葉片風車之總扭矩(torque，n‧m)比較圖 61
圖4-53具擴散器之三葉片風車之功率係數CP比較圖 61

 

[1] 上海情報服務平台(http://www.libnet.sh.cn:82/gate/big5/www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=7522)。

[2]北海道風力發電所 http://www.pref.hokkaido.lg.jp/kg/htd/fu_ryoku.htm

[3]http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza_0101.htm

[4]香港天文台
http://www.hko.gov.hk/wservice/tsheet/pms/beaufort_c.htm

[5]台灣颱風資中心
http://typhoon.ws/learn/reference/beaufort_scale.php

[6] 許維霖，“小型水平軸風車之製作、模擬與量測”，“The Manufacturing, Simulation and Measuring of Small Horizontal Axis Wind Turbines”，淡江大學航空太空工程學系碩士論文，2012

[7]牛山 泉，“圖解風力發電入門”，世茂出版有限公司，2011年
11月

[8] Matthew M. Duquette &; Kenneth D. Visser, “Numerical Implications of Solidity and Blade Number on Rotor Performance of Horizontal-Axis Wind Turbines”, Journal of Solar Energy Engineering, vol. 125, pp. 425-432, November 2003.

[9] Abe, K., Nishida, M., Sakurai, A., Ohya, Y., Kihara, H., Wada, E., Sato, K., “Experimental and numerical investigationsof flow fields behind a small wind turbine with a flanged diffuser” ,October 2005

[10] Yuji Ohya, Takashi Karasudani, Akira Sakurai,Ken-ichi Abe, Masahiro Inoue, “Development of a shrouded wind turbine with a flanged diffuser”, November 2006

[11] UIUC Airfoil Coordinates Database http://www.ae.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.html

[12] Patanker, S.V., Spalding, D.B., “A Calculation Procedure for Heat, Mass and Momentum Transfer in Three-Dimensional Parabolic Flows” , International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 15, pp. 1787-1806,
1972。

[13] Toshio Matsushima, Shinya Takagi, Seiichi Muroyama,
“Characteristics of a highly efficient propeller type small wind turbine
with a diffuser”, October 2005

[14] 林品賢，“小型風車流場之數值計算與實驗研究”，“The Numerical and Experimental Study of Small Wind Turbines”，淡江大學航空太空工程學系碩士論文，2010。0
[15] 高郡壎，“多葉片小型風車之數值模擬與實驗研究”， “Numerical Simulation and Wind Tunnel Experiment of Small
Multi-Bladed Wind Turbines”，淡江大學航空太空工程學系碩士論
文，2012

[16] Phillips, D.G., Richards, P.J., Flay, R.G.J., “Diffuser Development for a Diffuser Augmented Wind Turbine Using Computational Fluid Dynamics”, Department of Mechanical Engineering The University of Auckland New Zealand

[17] Foreman, K.M., Maciulaitis, A. and Gilbert, B.L., “Performance Predictions and Recent Data for Advanced DAWT Models”, ASME Solar Energy Division, Grumman Aerospace Corp., Bethpage, New York, April 1983

[18] 巫俊達，“風力機葉片數對輸出功率的影響”，“Wind Turbine Effects on Power Generated with Different Number of Blades”，國立屏東科技大學機械工程系碩士論文，2007。

[19] 徐彬堯，“風車葉片運動模擬動態分析”，“The Motion Simulation and Dynamic Analysis of the Wind ，2005