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研究生:尹培森
研究生(外文):Pei-Sen Yin
論文名稱:五邊形尾翼對水平軸風力機旋轉行為之研究
論文名稱(外文):Study on the influence of pentagonal turbine tail on the rotational behavior of a horizontal-axis wind turbine
指導教授:翁輝竹
指導教授(外文):Huei-Chu Weng
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
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:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:62
中文關鍵詞:水平軸風力機尾翼設計風洞實驗計算流體動力學
外文關鍵詞:horizontal-axis wind turbinetail designwind tunnel experimentcomputational fluid dynamics
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本論文完成五邊形尾翼對水平軸風力機旋轉行為之研究。主要目的在探討不同風速下,五邊形尾翼設計對水平軸風力機的旋轉時間、旋轉扭矩及振盪時間之影響。研究方法係利用鍍鋅鐵片以五邊形製做出五種不同幾何外型的尾翼,並將其連接於水平軸風力機上,在不同風速下於風洞中進行旋轉時間、旋轉扭矩及振盪時間的量測。透過數據的統整,計算出最適切之幾何外型尾翼,並於風洞中以不同尾翼面積進行旋轉行為之測試,同時以ANSYS Workbench軟體分析尾翼周遭的壓力及流線分布,藉以了解具五邊形尾翼之水平軸風力機旋轉行為之成因。
研究結果發現,若五邊形尾翼的翼首佔全長75%,此時有最佳的旋轉性能。尾翼面積的增加可增強旋轉扭矩,進而縮短旋轉時間;然而,尾翼面積與振盪時間並無明確的關係存在。此外,本論文進一步探討尾桿長度及尾桿傾角效應。隨著尾桿長度的減少,有較好的旋轉行為;然而,尾桿傾角影響旋轉行為則是相當有限。


This thesis conducts the influence of pentagonal turbine tail on the rotational behavior of a horizontal-axis wind turbine. The main purpose is to investigate the influence of pentagonal turbine tail on its rotation time, oscillation time and rotational torque for different wind speeds. Five kinds of pentagonal tail geometries are made with galvanized iron sheet. All the tails are connected to the horizontal-axis wind turbine, and the data of the rotation time, oscillation time and rotational torque are measured in a wind tunnel for various wind speeds. According to the integrated data, a suitable tail geometry is found out, and the rotational behavior of the wind turbine is tested in the wind tunnel for different tail areas on the basis of the suitable tail geometry in the wind tunnel. Moreover, ANSYS Workbench is used to analyze the pressure and streamline distributions near the tails in order to find out the rotational behavior of the horizontal-axis wind turbine with a pentagonal tail.
Results show that if the pentagonal tail head fraction is 75%, the rotational performance is optimal. Increased tail area can enhance the rotational torque and then reduce the rotational time; however, there is no clear relationship between tail area and oscillation time. In addition, this thesis further investigates the effects of tail boom length and tail boom angle. It is found that as the tail boom length decreases, the rotational behavior could be better; however, the tail boom angle has an insignificant effect on the rotational behavior.


中文摘要
Abstract
誌謝
目錄
表目錄
圖目錄
符號說明
第一章 緒論
1-1 研究背景
1-2 研究動機
1-3 論文結構
第二章 研究方法
2-1 模擬工具
2-2 模擬步驟
2-3 實驗設置
2-4 實驗量測
第三章 結果與討論
3-1 尾翼幾何效應
3-2 尾翼面積效應
3-3 尾桿長度效應
3-4 尾桿傾角效應
3-5 壓力與流線分析
第四章 總結
4-1 結論
4-2 展望
參考文獻
附錄A 尾翼形心
自述
個人著作

表目錄
表3-1.1 在不同翼首占比 下,旋轉扭矩 之實驗數據
表3-1.2 在不同翼首占比 下,旋轉時間 之實驗數據
表3-1.3 在不同翼首占比 下,振盪時間 之實驗數據
表3-2.1 在不同尾翼面積 下,旋轉扭矩 之實驗數據
表3-2.2 在不同尾翼面積 下,旋轉時間 之實驗數據
表3-2.3 在不同尾翼面積 下,振盪時間 之實驗數據
表3-3.1 在不同尾桿長度 下,旋轉扭矩 之實驗數據
表3-3.2 在不同尾桿長度 下,旋轉時間 之實驗數據
表3-3.3 在不同尾桿長度 下,振盪時間 之實驗數據
表3-4.1 在不同尾桿傾角 下,旋轉扭矩 之實驗數據
表3-4.2 在不同尾桿傾角 下,旋轉時間 之實驗數據
表3-4.3 在不同尾桿傾角 下,振盪時間 之實驗數據

圖目錄
圖2-2.1 模擬步驟之流程圖
圖2-2.2 尾翼之CAD圖
圖2-2.3 尾翼與測試區之網格
圖2-2.4 分析模組之形式設定
圖2-2.5 分析模組之模擬空間域設定
圖2-2.6 分析模組之計算方式
圖2-3.1 尾翼旋轉機構之示意圖
圖2-3.2 五種翼首占比尾翼之示意圖
圖2-3.3 五邊形尾翼形心之示意圖
圖2-3.4 風洞測試系統之設置圖
圖2-4.1 實驗架構之俯視示意圖
圖2-4.2 實驗架構之側視示意圖
圖2-4.3 熱線式風速計
圖2-4.4 數位式測力計
圖3-1.1 五種翼首占比尾翼之實體圖
圖3-1.2 在不同翼首占比h/l下,旋轉扭矩與風速之變化關係
圖3-1.3 在不同翼首占比h/l下,旋轉時間與風速之變化關係
圖3-1.4 在不同翼首占比h/l下,振盪時間與風速之變化關係
圖3-2.1 在不同尾翼面積A下,旋轉扭矩與風速之變化關係
圖3-2.2 在不同尾翼面積A下,旋轉時間與風速之變化關係
圖3-2.3 在不同尾翼面積A下,振盪時間與風速之變化關係
圖3-3.1 在不同尾桿長度r下,旋轉扭矩與風速之變化關係
圖3-3.2 在不同尾桿長度r下,旋轉時間與風速之變化關係
圖3-3.3 在不同尾桿長度r下,振盪時間與風速之變化關係
圖3-4.1 在不同尾桿傾角θ下,旋轉扭矩與風速之變化關係
圖3-4.2 在不同尾桿傾角θ下,旋轉時間與風速之變化關係
圖3-4.3 在不同尾桿傾角θ下,振盪時間與風速之變化關係
圖3-5.1 壓力分佈圖。h/l =0
圖3-5.2 壓力分佈圖。h/l =0.25
圖3-5.3 壓力分佈圖。h/l =0.5
圖3-5.4 壓力分佈圖。h/l =0.75
圖3-5.5 壓力分佈圖。h/l =1
圖3-5.6 流線分佈圖。h/l =0
圖3-5.7 流線分佈圖。h/l =0.25
圖3-5.8 流線分佈圖。h/l =0.5
圖3-5.9 流線分佈圖。h/l =0.75
圖3-5.10 流線分佈圖。h/l =1
圖A.1 翼首占比 =0之尾翼形心。h/l=140cm2
圖A.2 翼首占比 =0.2之尾翼形心。h/l =140cm2
圖A.3 翼首占比 =0.5之尾翼形心。h/l =140cm2
圖A.4 翼首占比 =0.75之尾翼形心。h/l =140cm2
圖A.5 翼首占比 =1,之尾翼形心。h/l =140cm2
圖A.6 面積 =100 cm2之尾翼形心。h/l =0.75
圖A.7 面積 =120 cm2之尾翼形心。h/l =0.75
圖A.8 面積 =140 cm2之尾翼形心。h/l =0.75
圖A.9 面積 =160 cm2之尾翼形心。h/l =0.75



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