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系統識別號 U0002-0602201210493900
中文論文名稱 多葉片小型風車之數值模擬與實驗研究
英文論文名稱 Numerical Simulation and Wind Tunnel Experiment of Small Multi-Bladed Wind Turbines
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 100
學期 1
出版年 101
研究生中文姓名 高郡壎
研究生英文姓名 Chun-Hsun Kao
學號 699430061
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-01-06
論文頁數 80頁
口試委員 指導教授-陳慶祥
委員-管衍德
委員-陳增源
中文關鍵字 FLUENT  風力發電  小型風車 
英文關鍵字 FLUENT  Wind energy  Small wind turbines 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要   本研究利用FLUENT計算流力軟體來模擬小風車之流場,求解三維穩態不可壓縮的Navier-Stokes方程式。
  首先利用PRO/ENGINEER電腦輔助設計來繪製四葉片、六葉片風車外型,再利用Gambit的點線面體成長方式建構非結構網格並給定邊界條件,最後放入FLUENT求得數值結果並與實驗值做比較,將結果最後用繪圖軟體Tecplot繪製成功率係數Cp與周速比TSR的圖。
  網格數對於網格品質有很大的影響,利用在葉片表面加密以及在圓盤上加密的兩種方式可以使網格品質達到要求。研究結果顯示在模擬四葉片時數值結果與實驗值很吻合,六葉片時與實驗值差距較大。但在趨勢上卻相當吻合,所以利用FLUENT來模擬小型風車流場相當可行。
英文摘要   The aim of this study is using computational fluid dynamics software, FLUENT, to simulate the flow field of small wind turbines. FLUENT solves the three-dimensional, steady, incompressible Navier-Stokes equations.
  We first used the computer aided design software, PRO/ENGINEER, to draw the configurations of small four- and six-bladed wind turbines. We then used the grid generator, GAMBIT (provided by FLUENT) to generate grids. A point, line, surface, and body approach was used to generate unstructured grids for the wind turbines. The grids were then fed into FLUENT to solve for the flow fields. The numerical results were compared with the experimental data. The comparisons were plotted as the power coefficient against the tip speed ratio.
  The results of our study show that grid density and quality have decisive effects on the accuracy of the numerical solutions. We increased grid density on the surface of blades and the disk which enclosed the wind turbine. The calculated power coefficients agree well with experimental data for the four-bladed wind turbines. The discrepancies are larger for the six-bladed wind turbines but the trends are consistent. FLUENT can be an effective tool in designing small wind turbines.

論文目次 第一章 前言 1
1.1研究背景 1
1.2研究動機 4
第二章 文獻回顧 7
2.1風的資料與數據 7
2.1.1風級表 7
2.1.2立方係數 9
2.1.3風況曲線 9
2.2何謂風力機 9
2.2.1何謂風力發電 9
2.2.2風車的種類 11
2.2.3風車的結構 13
2.2.4風車的設計與製作 14
2.2.5風車發電系統的架構 16
2.2.6風車之相關性能分析 17
第三章 研究方法 26
3.1數值模擬 26
3.1.1數值模擬流程 26
3.1.2邊界設定 32
3.2數值方法 36
3.2.1統御方程式 38
3.2.2離散方法 38
3.2.3壓力速度耦合 41
3.3網格 42
3.3.1網格分類 42
3.3.2網格類型 43
3.3.3建立網格的方式 44
3.4實驗設備介紹 45
第四章 研究結果與討論 51
4.1網格獨立性 53
4.2雙葉片風車模擬與實驗結果 54
4.3四葉片風車模擬與實驗結果 59
4.4六葉片風車模擬與實驗結果 62
第五章 總結與未來展望 69
參考文獻 71
附錄 73

表目錄
表1-2 台灣目前已設置的風力機數量[5] 5
表2-1蒲福氏風力級數表 Beaufort Scale[2] 8
表3-1 FLUENT6.3提供的邊界條件[14] 34
表4-1 不同網格數之功率係數 53

圖片目錄
圖1-1 Poul La Cour改良過的風力機[1] 1
圖2-1 為各種類型之風車效率極限[6] 10
圖2-2 各種水平軸式風車[8] 12
圖2-3 各種垂直軸式風車[8] 13
圖2-4 風力機的結構[9] 14
圖2-6 小型風力機之應用類型 17
圖2-7 一維風力機示意圖 18
圖2-8 流場速度與壓力經過轉子的變化圖 19
圖2-9一維風力機控制體積示意圖 20
圖2-10 沿著流線之風力機的控制體積 22
圖2-11 CP、 CT與a的關係圖 24
圖3-1數值模擬過程 27
圖3-2 利用Size Function在葉片上建立的網格 29
圖3-3線網格 30
圖3-4面網格 30
圖3-5體網格 31
圖3-6利用點線面體在葉片表面上建立的網格 31
圖3-7網格類型…………………………..…………………………….43
圖3-8 風洞外觀 46
圖3-9 風洞整流段 46
圖3-10 風洞測試段 47
圖3-11 皮托管 47
圖3-12 風洞之1N的扭力計 48
圖3-13 控制箱 48
圖3-14 風洞的漸擴管 49
圖3-15 雙葉片小型風車 49
圖3-16 四葉片小型風車 50
圖3-17 六葉片小型風車 50
圖4-1 Gambit繪製的網格外型 51
圖4-2 NACA4415翼剖面圖 52
圖4-3 Pro/E繪製風車外型 52
圖4-4 四葉片之螺距角7.5°風車功率係數與實驗值的比較 54
圖4-5雙葉片之螺距角3°風車實驗值與數值功率係數的比較[17] 55
圖4-6雙葉片之螺距角5°風車實驗值與數值功率係數的比較[17] 55
圖4-7雙葉片之螺距角7.5°風車實驗值與數值功率係數的比較[17] 56
圖4-8 圓盤上刻度 57
圖4-9雙葉片之螺距角3°風車實驗值與數值功率係數的比較 57
圖4-10雙葉片之螺距角5°風車實驗值與數值功率係數的比較 58
圖4-11雙葉片之螺距角7.5°風車實驗值與數值功率係數的比較 58
圖4-12 四葉片之螺距角3°風車實驗值 60
圖4-13 四葉片之螺距角7.5°風車實驗值 60
圖4-14四葉片之螺距角3°風車實驗值與數值功率係數的比較 61
圖4-15四葉片之螺距角7.5°風車實驗值與數值功率係數的比較 62
圖4-16 六葉片8m/s和10m/s之螺距角5°、 7.5°、10°[18] 63
圖4-17六葉片8m/s之螺距角5°風車實驗值與數值功率係數比較 63
圖4-18六葉片8m/s之螺距角7.5°風車實驗值與數值功率係數比較 64
圖4-19六葉片8m/s之螺距角10°風車實驗值與數值功率係數比較 64
圖4-20六葉片10m/s之螺距角5°風車實驗值與數值功率係數比較 65
圖4-21六葉片10m/s之螺距角7.5°風車實驗值與數值功率係數比較 65
圖4-22六葉片10m/s之螺距角10°風車實驗值與數值功率係數比較 66
圖4-23六葉片8m/s之不同螺距角風車模擬值 67
圖4-24六葉片8m/s之不同螺距角風車實驗值[18] 67
圖4-25六葉片10m/s之不同螺距角風車模擬值 68
圖2-26六葉片10m/s之不同螺距角風車實驗值[18] 68

參考文獻 [1] Poul la Cour Museum (http://www.poullacour.dk/)。

[2] 牛三泉,三野正洋,“小型風車設計及製造”,復漢出版社,1982。

[3] 牛三泉,三野正洋,“小型風車手冊”台大出版中心,2010。

[4] 財團法人工業技術研究院“經濟部能源研究發展基金計畫”,經濟部能源委員會,2001。

[5] 經濟部能源局 (http://www.moeaboe.gov.tw/)。

[6] U.S. Department of Energy(DOE),(http://energy.gov/)。

[7] 工業技術研究院,公共建設設置風力發電系統參考手冊,2010。

[8] J.F. Manwell, J.G. McGowan and A.L. Rogers., “Wind energy
explained: theory, design and application,” Chichester / Wiley, / c2002. / New York

[9] Hill Country Wind Power (http://www.hillcountrywindpower.com/)

[10] 工業技術研究院能源與資源研究所,“風力機”,經濟部能源委員會,1991。

[11] Johnson, G. L., “Wind energy systems,” Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1985.

[12]李进良,李承曦,胡仁喜,“FLUENT6.3流場分析”化學工業出版社2009。
[13]韓占忠,王敬,藍小平,“FLUENT流體工程仿真計算時力與應用”,北京理工大學出版社 2007。

[14] “Fluent User Guide”,Fluent Inc,2006。

[15]S.V. Patanker, D.B. Spalding, “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。

[16] “大型風洞操作手冊”,瑞領科技股份有限公司。

[17]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,2010。

[18] 劉立仁,“小型水平軸式風力發電機空氣動力學特性探討”,Studies of aerodynamic characteristics of small horizontal-axis wind turbines,淡江大學航空太空工程學系,2009。
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