§ 瀏覽學位論文書目資料
  
系統識別號 U0002-0107201310594700
DOI 10.6846/TKU.2013.00010
論文名稱(中文) 垂直軸風機流場之數值模擬
論文名稱(英文) Numerical Simulation of the Flow Field of Vertical-Axis Wind Turbines
第三語言論文名稱
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中文) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英文) Department of Aerospace Engineering
外國學位學校名稱
外國學位學院名稱
外國學位研究所名稱
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生(中文) 楊旭霖
研究生(英文) SHIU-LIN YANG
學號 600430192
學位類別 碩士
語言別 繁體中文
第二語言別
口試日期 2013-06-25
論文頁數 67頁
口試委員 指導教授 - 陳慶祥
委員 - 陳增源
委員 - 管衍德
委員 - 陳慶祥
關鍵字(中) 垂直軸風車
FLUENT
風力發電
關鍵字(英) Vertical-Axis Wind Turbines (VAWT)
FLUENT
Wind energy
第三語言關鍵字
學科別分類
中文摘要
本研究利用FLUENT計算流力軟體來模擬垂直軸風車之流場,求解三維非穩態不可壓縮紊流的Navier-Stokes方程式。
   使用NACA-ls0421以及NACA0024做為計算垂直軸風車的葉片,分別是四葉片以及三葉片,先利用Gambit繪製外型以及建構非結構網格並給定邊界條件,以及運用不同的紊流模式計算,在驗證的過程中,發現每次的時間步階大概需要疊代200次,且收斂條件需調整成較嚴格,才能把時間步階放大。
   本文裡有利用二維計算三種不同直徑的垂直軸風車,採用k-ε standard模式計算在不同尖速比下的扭力,其結果與實驗所得趨勢吻合,誤差在20%。
   結果發現,不同紊流模式所計算出的扭力值極為不同,且從原本計算二維流場到三維,所需計算時間增七倍多,不符合效率。雖說二維的數值解已與實驗值相近,但是在三維時;卻還需要改進,再找較符合的紊流模式來計算之。
英文摘要
This study used the commercial CFD software, FLUENT, to simulate the flow field of VAWTs. The governing equations are the two-dimensional, unsteady, incompressible, turbulent Navier-Stokes equations.
    The results show that the residual values should be set small enough to allow at least 200 iterations within a time step in order to obtain a converged solution. This is due to the highly unsteady and turbulent flow of VAWTs. The time step can be set larger to speed up the calculation if 200 iterations requirement is satisfied. 
The performance data of three small VAWTs were also measured in a low speed wind tunnel to validate the numerical results. The discrepancy between experimental and two-dimensional numerical results is about 20%. The trends of the performance curves predicted numerically match that obtained experimentally. Three-dimensional effects need to be further investigated. A two-dimensional simulation takes about 12 hours in a desk top computer with an Intel-I7 cpu. But a corresponding three-dimensional simulation takes about 8 days. Therefore, two- dimensional simulation is a good preliminary design tool.
Our study also demonstrates that different turbulence models affect the numerical results significantly. The application of turbulence models in VAWTs need to be investigated extensively.
第三語言摘要
論文目次
第一章 前言	1
1.1研究動機	1
第二章 文獻回顧	6
2.1水平軸式風車	6
2.2垂直軸式風車	7
2.2.1垂直軸風車的分類	8
2.3風車氣動力與貝茲(Betz)理論	12
2.4Darrius風力機功率係數極限	18
2.5垂直軸風車各項參數	21
2.6近代實驗與模擬回顧	22
第三章 研究方法	25
3.1數學模式	27
3.1.1統御方程式	28
3.1.2標準k-ε紊流模式	28
3.1.3 RNG k-ε紊流模式	29
3.1.4 Realizable k-ε紊流模式	31
3.2殘差值	32
3.3 壓力與速度耦合-SIMPLE	33
3.4外型與邊界設定	34
3.5滑動網格	36
3.6實驗設備介紹	38
第四章 研究結果與討論	43
4.1網格獨立性	43
4.2殘差值的大小收斂比較	44
4.3不同的疊代次數	45
4.4不同的紊流模式	46
4.5不同的滑動區塊厚度	47
4.6與實驗比較的網格以及網格獨立性	49
4.7旋轉半徑0.2m的二維模擬與實驗值比較	52
4.8旋轉半徑0.3m的二維模擬與實驗值比較	53
4.8.1旋轉半徑0.3m的各個葉片的扭力係數-540rpm以及淨扭力係數	54
4.8.2旋轉半徑0.3m的a0由負扭力轉正扭力的速度向量圖_41.76度	55
4.8.3旋轉半徑0.3m的a0最高扭力值的速度向量圖_90.36度	55
4.8.4半徑0.3m的a0由正扭力值轉負扭力的速度向量圖_164.88度	56
4.8.5旋轉半徑0.3m的a0最低扭力值的速度向量圖_5.76度	56
4.9旋轉半徑0.4m的模擬與實驗值比較	57
4.10旋轉半徑0.3m的三維計算	57
第五章 總結與未來展望	61
參考文獻	63

表目錄
表1-1 民國100年台灣電力裝置系統 .................................................... 2
表1-2 台灣風能技術SWOT分析 ........................................................... 3
表1-3 水平軸式與垂直軸式風立機之主要差異性 ................................ 4
表1-4 工程分析法之比較 ........................................................................ 5
表2-1 垂直軸風車各項參數 .................................................................. 21
表2-2 文獻回顧 ...................................................................................... 23

圖目錄
圖2-1 各種水平軸式風車[6] ................................................................... 6
圖2-2 各種垂直軸式風車[6] ................................................................... 7
圖2-3 水平軸風機結構 ............................................................................ 9
圖2-4 Darrieus型風車結構 ...................................................................... 9
圖2-5 H型風車以及俯視圖 ................................................................... 10
圖2-6 Savonius型風車以及剖面圖 ....................................................... 10
圖2-7 現代垂直軸風機 .......................................................................... 11
圖2-8 一維風力機示意圖 ...................................................................... 12
圖2-9 流場速度與壓力經過轉子的變化圖 .......................................... 13
圖2-10一維風力機控制體積示意圖 ..................................................... 14
圖2-11 沿著流線之風力機的控制體積 ................................................ 15
圖2-12 、 與 的關係圖 ................................................................ 17
圖2-13 W.和.L.所繪垂直軸風車剖面圖以及其相關參數 .................... 18
圖2-14 各類風車的功率極限 ................................................................ 20
圖2-15 垂直軸風力機葉片的旋轉角度圖 ............................................ 22
圖3-1 研究方法流程圖 .......................................................................... 25
圖3-2 孫使用寬鬆收斂條件下不同的時間步階的功率值 .................. 26
圖3-3 孫使用嚴謹收斂條件下不同的疊代次數的功率值 .................. 26
圖3-4 不同計算方法對節點的劃分 ...................................................... 27
圖3-5 case1的外型與邊界設定 ............................................................. 34
圖3-6 case2的外型與邊界設定 ............................................................. 35
圖3-7 case2的前視圖..............................................................................36
圖3-8 滑動格點技術圖解示意圖 ........................................................ 377
圖3-9 風洞外觀 .................................................................................... 399
圖3-10 風洞整流段 ................................................................................ 39
圖3-11 風洞測式段 ................................................................................ 40
圖3-12 皮托管 ........................................................................................ 40
圖3-13 扭力計 ........................................................................................ 41
圖3-14 控制箱 ........................................................................................ 41
圖3-15 風洞的漸擴管 ............................................................................ 42
圖3-16 實驗用垂直風車 ........................................................................ 42
圖4-1 網格獨立性 .................................................................................. 43
圖4-2 各項殘差係數 ...................................................................... 44
圖4-3 各項殘差係數的 .................................................................. 45
圖4-4 不同的疊代次數 .......................................................................... 46
圖4-5 不同的紊流模式所得功率 .......................................................... 47
圖4-6 滑動區塊的厚度以及內外緣的定義 .......................................... 48
圖4-7 不同的滑動區塊厚度 .................................................................. 48
圖4-8 網格獨立性測試 .......................................................................... 49
圖4-9 網格示意圖 .................................................................................. 50
圖4-10 加密的局部網格放大圖 ............................................................ 50
圖4-11 三維網格圖 ................................................................................ 51
圖4-12 三維翼剖面旁的網格圖 ............................................................ 51
圖4-13 旋轉半徑0.2m的二維模擬與實驗值 ...................................... 52
圖4-14 半徑0.3m的二維模擬與實驗值 .............................................. 53
圖4-15 旋轉半徑0.3m各葉片的扭力係數 .......................................... 54
圖4-16 旋轉半徑0.3m,方位角41.76°的速度向量圖 ....................... 55
圖4-17 旋轉半徑0.3m,方位角90.36°的速度向量圖 ....................... 55
圖4-18 旋轉半徑0.3m,方位角164.88°的速度向量圖 ..................... 56
圖4-19 旋轉半徑0.3m,方位角5.76°的速度向量圖 ......................... 56
圖4-20 旋轉半徑0.4m的二維模擬與實驗值 ...................................... 57
圖4-21 以k-ε紊流模式計算三維風車,r=0.3m,ω=475rpm ............ 58
圖4-22 以RNG k-ε紊流模式計算三維風車,r=0.3m,ω=475rpm .. 59
圖4-23 以RNG k-ε紊流模式計算三維風車,r=0.3m,ω=540rpm .. 60
圖4-24 以RNG k-ε紊流模式計算三維風車,r=0.3m,ω=230rpm .. 60
參考文獻
[1]台灣經濟部能源局,台灣電力公司100年年報(http://www.moeaboe.gov.tw)
[2]再生能源網(http://www.re.org.tw)
[3] Jon, D., Denise, M., Brian, R., Shaun, W., and Stephen, W., “Self-Starting Vertical Axis Wind Turbine”, Dalhoousie University Mechanical Engineering Final Year Design Project (2006).  
[4] M. Ragheb, “VERTICAL AXIS WIND TURBINES” (2011).
[5]馮朝剛,工程數學教學之展望 (2011年9月)
[6] J.F. Manwell, J.G. McGowan and A.l.Rogers.,“ Wind energy explain design and application,” Chichester Wiley (2002).
New York
[7] Iion Paraschivoiu, “Wind Turbine Design”, Presses internationales Polytechnique (2002).
[8]Homegrown Power(www.thebackshed.com/wind.mill/home.asp)
[9] Paul Deglaire, “Analytical Aerodynamic Simulation Tools for Vertical Axis Wind Turbines”,Paul Deglaire (2010).
[10] Wilson, R.E. Lissaman, P.B.S. “Applied aerodynamics of wind Power machines, Oregon State University Corvallis” (1974).
[11] 孫耘,新型垂直軸風力發電系統之設計與實現,淡江大學航空工程研究所碩士論文 (2007)
[12]張智堯,螺旋式垂直軸風力機的氣動力模擬,國立中央大學機械工程研究所碩士論文 (2011)
[13] Ji Yao, Jianliang Wang, Weibin Yuan, Huimin Wang,Liang Cao, “Analysis on the influence of Turbulence model changes to aerodynamic performance of vertical axis wind turbine” (2011).
[14] M. El-Samanoudy, A.A.E. Ghorab,Sh.z. Youssef, “ Effect of some design parameters on the performance of a Giromill vertical axis wind turbine”, Mechanical Power Engineering Department. Ain Shams University (2010).
[15] Payam Sabaeifard, Haniyeh Razzaghi, Ayat Forouzandeh, “ Determination of Vertical Axis Wind Turbines Optimal Configuration through CFD Simulations”, IACSIT press (2012).
[16]孫三益,洪振義,“垂直軸風力發電機CFD模型之網格收斂性與分析精確度探討”, 台灣風能學術研討會G2-14 (2010)
[17]林健耀,“垂直式軸向風機數值研究”,國立屏工科技大學車輛工程系碩士學位論文 (2007)
[18]許維霖,小型風車之製作、模擬與量測,淡江大學航空工程研究所碩士論文 (2011)
[19]陶文銓,數值熱傳學(第2版),西安交通大學出版社 (2010)
[20]李人宪,有限體積法基礎,北京國防工業出版社 (2005)
[21]謝承翰,垂直軸風力機扭力與功率的檢測與模擬,國立成功大學航空太空工程學系碩士論文 (2009)
[22] Fluent 6.1 User’s Guide
[23] M.Ragheb, “Wind Energy Converters Concepts” (2012)
[24] Marco D’sAmbrosio, Marco Medaglia, “ Vertical Axis Wind Turbines: History, Technology and Applications” (2010).
[25] Jon DeCoste, Denise McKay, Brian Robinson, Shaun Whiteheat, Stephen Wright, “ Vertical Axis Wind Turbine”, Department of Mechanical Engineering Dalhousie University (2005).
[26] Josh DeCoste, Aaron Smith, Dylan White, Daniel Berkvens, Jody Crawford, “ Self-Starting Darrieus Wind Turbine”, Dalhousie University (2004).
[27] Det Norske Veritas, Copenhagen, Wind Energy Department, Ris∅ National Laboratory, “ Guidelines for Design of Wind Turbines”, Jydsk Centraltrykkeri (2002).
[28] Sandra Eriksson,Hans Bernhoff, Mats Leijon, “ Evaluation of different turbine concepts for wind power” (2006).
[29] Shawn Armstrong, Andrzej Fiedler, Stephen Tullis, “ Flow separation on a high Reynolds number, high solidity vertical axis wind turbine with straight and canted blades and canted blades with fences”, Renewable Energy 41 13-42 (2012).
[30] E.G. Ladopoulos, “ Non-linear multidimensional singular integral equations in two-dimensional fluids mechanics ”,International Journal of Non-Linear Mechanics 35 701-708 (2000).
[31] Wei Kou, Xinchun Shi, Bin Yuan, Lintao Fan, “ Modeling Analysis and Experimental Research on a Combined-Type Vertical Axis Wind Turbine” ,Department of Electrical Engineering North China Electric Power University (2011).
[32] Joseba Goyena Iriso, “Analysis and Design of a Vertical Axis Wind Turbine”, Alfredo Ursu ́a (2011).
[33] Yan Li, Kotaro Tagawa, Wei Liu, “ Performance effects of attachment on blade on a straight-bladed vertical axis wind turbine”, Current Applied Physics 10 s335-s338 (2010).
[34] K.McLaren, S.Tullis, S.Ziada, “ Measurement of high solidity vertical axis wind turbine aerodynamic loads under high vibration response conditions”, Journal of Fluids and Structures 32 12-26 (2012).
[35] Muhammad Mahmood Aslam Bhutta, Nasir Hayat, Ahmed Uzair Farooq, Zain Ali, Sh. Rehan Jamil, Zahid Hussain, “ Vertical axis wind turbine-A review of various configurations and design techniques”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 1926-1939 (2012).
[36] A.Rossetti, G.Pavesi, “ Comparison of different numerical approaches to the study of the H-Darrieus turbines start-up”, Renewable Energy 50 7-19 (2012).
[37] Mazharul Islam.David S.-K. Ting,Amir Fartaj, “ Aerodynamic models for Darrieus-type straight-bladed vertical axis wind turbines”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 1087-1109 (2008).
[38] John C. Vassberg,Arathi K. Gopinath, Antony Jameson, “Revisiting the Vertical-Axis Wind-Turbine Design using Advanced Computational Fluid Dynamics”, AIAA paper 0047 (2005).
[39] Marco Raciti Castelli, Alessandro Englaro, Ernesto Benini, “The Darrieus wind turbine:proposal for a new performance prediction model based on CFD”, Energy 36 4919-4934 (2011).
[40] Ye Li, Sander M.Calisal, “Three-dimensional effects and arm effects on modeling a vertical axis tidal current turbine”, Renewable Energy 35 2325-2334 (2010).
[41] Robert Howell, Ning Qin, Jonathan Edwards, Naveed Durrani, “Wind tunnel and numerical study of a small vertical axis wind turbine”, Renewable Energy 35 412-422 (2010).
[42] David Greenblatt, Magen Schulman, Amos Ben-Harav, “Vertical axis wind turbine performance enhancement using plasma actuators,” Renewable Energy (2012).
[43]高郡壎,多葉片小型風車之數值模擬與實驗研究,淡江大學航空太工工程學系碩士論文 (2012)
[44]林永堂,H型垂直風機非定常之研究,國立屏東科技大學車輛工程系碩士論文 (2010)
[45]陳瀅先,“直葉垂直軸風渦輪最大扭矩與可變設定角之分析”,南台科技大學機械工程研究所碩士學位論文 (2011)
[46]蔡耀庭,“小型垂直軸風力發電機之葉片分析研究”,明道大學光電暨能源工程學系碩士班碩士論文 (2011)
[47]鄭沛倫,“支撐臂效應與斜式旋翼垂直軸風力機三維氣動力模擬”, 國立中央大學機械工程研究所碩士論文 (2011)
[48]陳建章,郭正雄,“不同NACA系列葉片之垂直軸風機效能分析”,台灣風能學術研討會G2-04 (2010)
[49]黃致達,張伯華,張鴻文,林立松,廖川傑,陳立文,林昭安,“垂直軸風力發電機之研究”,台灣風能學術研討會G2-17 (2010)
論文全文使用權限
校內
校內紙本論文立即公開
同意電子論文全文授權校園內公開
校內電子論文立即公開
校外
同意授權
校外電子論文立即公開

如有問題,歡迎洽詢!
圖書館數位資訊組 (02)2621-5656 轉 2487 或 來信