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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:郭建志
研究生(外文):Kuo, ChenChih
論文名稱:H-Rotor與複合式垂直軸風機之性能研究
論文名稱(外文):Performance Study of H-Rotor and Hybrid VAWT
指導教授:賴正權苗志銘苗志銘引用關係
指導教授(外文):Lai,ChengChyuanMiao, JrMing
口試委員:戴昌賢覃宏科戴昌聖
口試委員(外文):Tai, ChangShengChing HongKaTai, ChangHsien
口試日期:2012-05-18
學位類別:碩士
校院名稱:國防大學理工學院
系所名稱:機械工程碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:114
中文關鍵詞:垂直軸式風力機計算流體力學NACA4412複合式風機
外文關鍵詞:VAWTCFDNACA4412Hybrid VAWT
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本論文利用數值方法及風洞實驗,首先探討台灣都會環境於低風速(12m/s)及低尖端速度比(Tip Speed Ratio;TSR<1)之4葉片式小型H-Rotor垂直軸風機的流場氣動力特性。接著探討以外圈為升力型NACA4412構型搭配內圈為三片阻力型Savonius式所構成之「複合式垂直軸風機系統」的性能提升效益。
在實驗方面,採用4葉片式H-Rotor風機(翼構型NACA4412、弦長C=26.5cm、翼展高H=80cm、旋轉半徑R=40cm)搭配300瓦發電機,進行輸出功率(Power)及轉速(ω)的量測。
其次,數值方法上,以CFD分析模擬葉片的旋轉過程,而在葉片旋轉的動態模擬上,本研究透過動態網格系統的建置及滑動邊界的設定,探討葉片於旋轉時的流場氣動力特性與流場現象;另外亦探討風機的力矩(Cm)與功率係數(Power Coefficient;Cp)並同時與實驗結果相互驗證比對。
最後利用Tecplot及FieldView將風機流場的壓力分佈及流線可視化並分析說明其特性。
風機功率係數的數值模擬結果與實驗值相近且趨勢一致;另外當尖端速度比為0.159~0.423時,本研究提出之新型複合式風機,不論是模擬及實驗結果都顯示出其輸出功率較H-Rotor型式高出約28%。因此,本研究提出的複合式風機確實有顯著的性能提升,此結果可供業界研製新型風機之參考。

The purpose of this study is to analyze, via CFD and wind-tunnel experiment. Firstly, the flowfileds and aerodynamic characteristics of a small 4 straight-bladed vertical-axis wind turbine (VAWT) operating under the wind speed below 12 m/s and low tip speed ratio (TSR) was investigated and discussed. For the performance improving, then a new configuration of VAWT combined with outer parts of 4 NACA4412 blades and inner parts of three Savonius blades (Hybrid VAWT System) was studied successfully by CFD predictions and wind tunnel experiments.
In experiments, the test model was a 4 straight-bladed H-Rotor type VAWT. The blade section of this VAWT was NACA4412 with chore length 26.5cm and blade height of 80cm, and the rotating radius of the VAWT was 40cm. For the performance study, a disc type of 300W generator was used with test model for the wind turbine output power and rotating speed (ω) measurements.
In numerical works, conformal hybrid meshes and dynamic meshes were used successfully for rotational flowfields simulation and aerodynamic analysis for VAWTs. In addition, the power coefficient (Cp) and torque (Cm) were also obtained and verified from CFD calculations and experimental measurements. Tecplot and FieldView were used to show the CFD results and flowfiels analysis.
Comparing the CFD predictions with experimental results, the agreements were quiet well. When operating under TSR ranged from 0.159 to 0.423, both CFD and experimental results are showing that Hybrid VAWT has about 28% higher output power than that of H-Rotor VAWT. Therefore, the results of this study can be valuable for the industrial applications.

誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
1. 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 3
2. 風機之原理、架構與特性 6
2.1 風能運用及發展 6
2.2 國內外發展現況 7
2.3 風機發電及工作原理 12
2.4 風機種類與特性 14
2.4.1 垂直軸式風機 14
2.4.2 水平軸式風機 17
2.5文獻回顧 19
3. 研究方法 24
3.1 主要參數說明 25
3.2 數值模擬計算 28
3.2.1 統御方程式 29
3.2.2 紊流模型 29
3.2.3 數值方法 30
3.2.4 SIMPLE算法 32
3.3 實驗儀器架設 33
3.3.1風力發電機輸出功率量測系統 36
3.3.2量測風速的選定 38
4. 研究構型、網格建置與邊界條件 39
4.1 幾何構型 39
4.2 網格種類說明 41
4.2.1滑動格點製作說明 43
4.2.2 網格建置 44
4.3 邊界條件設定 47
4.4 算則驗證分析以及網格數目疏密性測試 48
4.4.1 網格數目疏密性測試 48
4.4.2 紊流模式的選擇及驗證 50
4.4.3 算則的選擇及驗證 52
4.5 複合式風機網格建置 52
5. 研究結果分析與討論 57
5.1複合式風機模擬與風洞實驗差異分析 58
5.2 H-Rotor、複合式風機之模擬與風洞實驗差異分析 59
5.3 穩定狀態下的風機流場特性分析 61
5.3.1 有無裝置阻力型葉片對Cm值的影響分析 65
5.3.2不同風速下升力型、阻力型與複合式風機特性分析 67
5.4風速為8.358m/s、尖速比為0.202之H-Rotor風機流場探討 68
5.5風速為8.358m/s、尖速比為0.202之複合式風機流場探討 72
5.6風速為10.147m/s、尖速比為0.265之 H-Rorot風機流場探討 83
5.7風速為10.147m/s、尖速比為0.265之複合式風機流場探討 97
6. 結論與建議 109
6.1結論 109
6.1未來研究方向與建議 110
7. 參考文獻 111

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