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模擬小型風車流場，分析風車葉片相同稠度比的特性，且製作出葉片並利用風洞實驗加以驗證。研究中使用電腦輔助設計軟體Pro/ENGINEER繪製以NACA 4415翼型為剖面的葉片模型，然後使用CNC三軸銑床銑出葉片並置入風車測試平台於風洞中實驗得出特性曲線。
數值模擬的部分，使用電腦輔助設計軟體 Pro/ENGINEER 繪製葉片模型後，匯入網格產生器 Gambit 以點、線、面、體積並指定格點數量較直觀的方式成長非結構網格，以計算流體力學軟體 FLUENT 計算葉片空氣動力特性，再以後製軟體 Tecplot 繪出特性曲線做比較。
大部分數值模擬結果與二維葉片元素理論所預期的結果大致相符，以空氣動力學的觀點來解釋這些結果也頗為合理。但部分的結果與物理上所預期的並不相符，這部分差異須要進一步的數值與實驗的研究來了解。

This study used computational fluid dynamics software, FLUENT, to simulate the aerodynamic performance of small horizontal wind turbines subject to different blade numbers (but with the same solidity). The blades were manufactured and placed in a low speed wind tunnel to measure the performance curves. The CAD software, Pro/ ENGINEER, was used to draw the blade models. NACA 4415 airfoil was used as the blade section. The blade models were feed into a three-axis CNC milling machine to manufacture blades for the wind tunnel experiment.
In numerical simulations, the blade models produced by Pro/ENGINEER were imported to a grid generator, Gambit, to generate unstructured grids. The grids were used by FLUENT to simulate the flow field and obtain the aerodynamic performance of wind turbines. A post-processing software, Tecplot, was used to prepare the final results.
The majority of the numerical results can be explained by two-dimensional blade element theory and can also be explained reasonably from aerodynamic view points. But some parts of the results cannot be explained satisfactorily. Further numerical and experimental investigations are needed to better understand these discrepancies.

目錄 iii
表目錄 v
圖片目錄 vi
符號說明 x
第一章 前言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 1
第二章 文獻回顧 4
2.1 風車種類 4
2.1.1 水平軸式 4
2.1.2垂直軸式 5
2.2 風車的空氣力學 6
2.3 風車旋轉性能分析 7
2.4 稠度比（solidity） 13
2.5 扭曲（twist） 16
第三章 研究方法 18
3.1 葉片製程 18
3.2 實驗 23
3.3 數值模擬 27
3.3.1 Fluent原理 27
3.3.2 模擬流程 28
第四章 研究結果與討論 34
4.1 葉片製程 34
4.2 實驗 41
4.3 數值模擬 45
4.3 扭曲（twist） 56
第五章 總結與未來展望 65
5.1 總結 65
5.2 未來展望 65
參考文獻 66
附錄 68
表目錄
表1-1 民國99 年底全國發電系統裝置容量[1] ................. 2
表2-1 入口及出口的速度與壓力 ............................. 7
表2-2 無錐度葉片尺寸 .................................... 16
表3-1 邊界條件物理意義 .................................. 29
表4-1 葉片在TSR=10 時各棧位相對風角度 .................. 56
表4-2 扭曲設計 .......................................... 58
圖片目錄
圖1-1 各種發電碳足跡評估[3] ............................................................... 3
圖2-1 螺旋槳型風車[5] ........................................................................... 5
圖2-2 打蛋型風車[6] ............................................................................... 6
圖2-3 葉片翼剖面受力分析圖 ................................................................ 7
圖2-4 流場速度與壓力變化圖[7] ........................................................... 8
圖2-5 風車控制體積[7] ........................................................................... 9
圖2-6 風車控制體積[7] ......................................................................... 10
圖2-7 P C 、T C 理論分布[7] .................................................................. 12
圖2-8 較小螺距角相同稠度比不同葉片數的比較[8] ......................... 14
圖2-9 較大螺距角相同稠度比不同葉片數的比較[8] ......................... 14
圖2-10 NACA 4415 翼剖面[13] ............................................................. 15
圖2-11 葉片側視圖 ................................................................................ 16
圖2-12 升力與推力示意圖 .................................................................... 17
圖3-1 NACA 4415 上翼面 ...................................................................... 18
圖3-2 NACA 4415 下翼面 ...................................................................... 19
圖3-3 加工參數 ...................................................................................... 19
圖3-4 粗加工模擬 .................................................................................. 20
圖3-5 精加工模擬 .................................................................................. 20
圖3-6 NC 檔 ............................................................................................. 21
圖3-7 葉片製程流程圖 .......................................................................... 21
圖3-8 尋邊器校正 .................................................................................. 22
圖3-9 CNC 銑床控制器 ......................................................................... 22
圖3-10 銑切 ............................................................................................ 23
圖3-11 整流段與收縮段 ........................................................................ 25
圖3-12 測試段內的測量平台 ................................................................ 26
圖3-13 控制器與量測器 ........................................................................ 27
圖3-15 線上的網格點 ............................................................................ 30
圖3-16 面上的網格 ................................................................................ 30
圖3-17 體積網格 .................................................................................... 31
圖3-18 翼剖面的網格結構 .................................................................... 31
圖4-1 兩邊固定 ...................................................................................... 34
圖4-2 曲面上的齒痕 .............................................................................. 35
圖4-3 NACA 4415 無錐度葉片 .............................................................. 37
圖4-4 夾具 .............................................................................................. 38
圖4-5 轉動圓盤 ...................................................................................... 39
圖4-6 凹槽 .............................................................................................. 39
圖4-7 葉片的撕裂 .................................................................................. 40
圖4-8 尼龍板的變形 .............................................................................. 41
圖4-9 三葉片、螺距角3°之有錐度與無錐度實驗功率係數比較 ..... 42
圖4-10 三葉片、螺距角5°之有錐度與無錐度實驗功率係數比較 ... 42
圖4-11 三葉片、螺距角7.5°之有錐度與無錐度實驗功率係數比較 43
圖4-12 螺距角5°之雙葉片有錐度與雙葉片無錐度實驗功率係數比較
................................................................................................................... 43
圖4-13 螺距角5°之雙葉片有錐度葉片實驗功率係數 ....................... 45
圖4-14 螺距角3°之三葉片風車實驗與數值功率係數比較 ............... 46
圖4-15 螺距角5°之三葉片風車實驗與數值功率係數比較 ............... 46
圖4-16 螺距角7.5°之三葉片風車實驗與數值功率係數比較 ............ 47
圖4-17 葉片與轉動網格格點分佈比例 ................................................ 48
圖4-18 不同加密方法的差異 ................................................................ 49
圖4-19 螺距角3°、風速6m
s 之有錐度與無錐度數值功率係數比較
................................................................................................................... 50
圖4-20 螺距角5°、風速6m
s 之有錐度與無錐度數值功率係數比較
................................................................................................................... 50
圖4-21 螺距角7.5°、風速6m
s 之有錐度與無錐度數值功率係數比較
................................................................................................................... 51
圖4-22 螺距角3°、風速6m
s 之不同葉片風車數值功率係數比較 .. 51
圖4-23 螺距角5°、風速6m
s 之不同葉片風車數值功率係數比較 .. 52
圖4-24 螺距角7.5°、風速6m
s 之不同葉片風車數值功率係數比較
................................................................................................................... 52
圖4-26 螺距角5°、風速8m
s 之不同葉片風車數值功率係數比較 .. 53
圖4-27 螺距角7.5°、風速8m
s 之不同葉片風車數值功率係數比較
................................................................................................................... 54
圖4-28 螺距角3°、風速10m
s 之不同葉片風車數值功率係數比較 54
圖4-29 螺距角5°、風速10m
s 之不同葉片風車數值功率係數比較 55
圖4-30 螺距角7.5°、風速10m
s 之不同葉片風車數值功率係數比較
................................................................................................................... 55
圖4-31 NACA 4415 L C -α 圖 ................................................................. 56
圖4-32 葉片扭曲設計TSR=8 時攻角關係圖 ...................................... 60
圖4-33 葉片扭曲設計TSR=10 時攻角關係圖 .................................... 61
圖4-34 葉片無扭曲與扭曲於風速6m
s 之數值功率係數比較 .......... 61
圖4-35 葉片扭曲設計TSR=9 時攻角關係圖 ...................................... 62
圖4-36 葉片扭曲設計TSR=10 時攻角關係圖 .................................... 63
圖4-37 葉片無扭曲與扭曲於風速8m
s 之數值功率係數比較 .......... 63
圖 4-38 不同螺距角、風速6m
s 之有錐度葉片風車實驗功率係數比較
................................................................................................................... 64

[1] 台灣電力公司股份有限公司企劃處，“台灣電力公司99年年報”，台灣電力股份有限公司，2010
[2] 萬惠雯，風力發電 台電秘密武器，新台灣新聞週刊第443期，2004
[3] ISA, The University of Sydney, Australia ,“Life-Cycle Energy Balance and Greenhouse Gas Emissions of Nuclear Energy in Australia”, A study undertaken for the Department of Prime Minister and Cabinet of the Australian Government,2006
[4] 牛山泉、三野正洋，“小型風車手冊【附‧小型風車設計圖例】”，臺大出版中心，2010
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[10] 李進良，李承曦，胡仁喜，“精通FLUENT 6.3流場分析”，化學工業出版社，2009
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[12] 林品賢，“小型風車流場之數值計算與實驗研究”，淡江大學航空太空工程學系碩士論文，2011
[13] UIUC Airfoil Coordinates Database http://www.ae.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.html
[14] 高郡壎，“多葉片小型風車之數值模擬與實驗研究”，淡江大學航空太空工程學系碩士論文，2012
[15] 周文成，“Mastercam入門與範例應用V9版”，全華圖書公司，2004
[16] 趙玉新，FLUENT教程
[17] Erich Hau ,“Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics”, Springer,2005
[18] DreeseCODE Software, LLC , DesignFOIL
[19] 至善電木塑膠
[20] 林昆瑩，“小型風力發電機葉片設計及製作”，國立成功大學大學航空太空工程研究所碩士論文，2009