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系統識別號 U0002-1707201423333300
中文論文名稱 阻力型垂直軸風機流場之數值模擬
英文論文名稱 Numerical Simulation of the Flow Field of Drag Type Vertical-Axis 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 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 陳思瑜
研究生英文姓名 Szu-Yu Chen
學號 601430431
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-06-27
論文頁數 85頁
口試委員 指導教授-陳慶祥
委員-陳增源
委員-陳宗基
中文關鍵字 阻力型垂直軸風車  FLUENT  風力發電 
英文關鍵字 Drag type vertical-axis wind turbines  FLUENT  wind power generation 
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阻力型垂直軸風車之流場,求解二維非穩態不可壓縮紊流的Navier-Stokes方程式,並與實驗數據進行比對。
先利用Gambit繪製外型以及建構非結構網格且給定邊界條件,從圓柱的模擬開始,了解FLUENT對於此種外型的計算能力何在,接者透過使用不同紊流模式流經單一C型葉片,驗證何種模式為此幾何外型最適用的紊流模式,最後進行兩組阻力型垂直軸風車之模擬,第一組為兩葉片C型轉子加上分別為四片、六片以及八片所組成的導風罩,第二組則為六葉片C型轉子加上以四片、六片組成的導風罩進行模擬,計算風機的流場以及平均力矩。
得到之結果為,不同的紊流模式對於得出之結果影響甚鉅,因此在紊流的使用上仍有許多不足且需要探討的地方。而與實驗數據的比對,整體趨勢大致與實驗相符,流場向量圖符合物理現象,於低轉速高力矩時得到的值誤差大約10%~20%,尚在接受範圍,然而高轉速低力矩時則與實驗值大相逕庭,可能是由於數值結果並未包含風車系統的摩擦阻抗。
英文摘要 This study used the commercial CFD software, FLUENT, to simulate the flow field of drag type VAWTs and compare the numerical results with the experimental data. The governing equations are the two-dimensional, unsteady, incompressible, turbulent Navier-Stokes equations.
This work were divided into three parts. Part 1 simulated the flow passing a circular cylinder with various Reynolds numbers to understand the predicting capability of FLUENT. Part 2 simulated the flow passing a single c-type blade subject to different turbulent models to find the applicability of turbulent model for such flows. Part 3 simulated the flow field of drag type VAWTs to obtain the average torque and power.
The results show that different turbulence models affect the numerical results significantly. The applicability of turbulence models in VAWTs need to be investigated extensively. The trends of the performance curves predicted numerically match that obtained experimentally.
The discrepancy between experimental and numerical results is about 10-20% when the rotational speed of turbines is lower and the torque is higher. The discrepancy is much larger when the rotational speed is high and the torque is low. This may be due to the resistance from the wind turbine system, which was not included in the numerical results.
論文目次 目錄
第一章 前言 1
1.1研究背景 1
1.2 風機簡介 7
1.2.1水平軸式風車 8
1.2.2垂直軸式風車 9
1.2.3貝茲(Betz)理論 11
1.3 文獻回顧 17
1.4 研究目的 20
第二章 數值模擬概論 21
2.1 Fluent簡介 21
2.1.1 統御方程式 21
2.1.2 壓力與速度耦合-SIMPLEC 22
2.2 紊流模式 23
2.2.1標準k-ε紊流模式 24
2.2.2 RNG k-ε紊流模式 24
2.2.3 REYNOLDS Quadratic Pressure-Strain Model紊流模式 26
2.3 殘差值 27
第三章 研究方法 28
3.1 邊界設定 28
3.1.1 圓柱 28
3.1.2 C型轉子 30
3.2 殘差值設定 31
3.3 網格 33
3.3.1 網格獨立性 34
3.3.2 滑動網格 35
3.4 實驗設備 36
第四章 研究結果與討論 41
4.1 圓柱 41
4.2 C型葉片模擬 45
4.3 兩葉片C型轉子模擬 49
4.3.1 無外罩兩葉片C型轉子模擬 49
4.3.2 四片外罩兩葉片C型轉子模擬 51
4.3.3 六片外罩兩葉片C型轉子模擬 55
4.3.4 八片外罩兩葉片C型轉子模擬 57
4.4 六葉片C型轉子模擬 61
4.4.1 無外罩六葉片C型轉子模擬 62
4.4.2 四片外罩六葉片C型轉子模擬 65
4.4.3 六片外罩六葉片C型轉子模擬 68
第五章 結論與未來展望 72
5.1 結論 72
5.2 未來展望 73
參考文獻 74

表目錄
表1-1 各項發電方式之比較 2
表1-2 全球再生能源發電量預測[1] 3
表1-3 全球新增風力機組裝置容量及累計裝置容量[2] 4
表1-4 民國100年台灣電力裝置系統[3] 5
表1-5 2011年全球前10名風力機組裝置容量國家[2] 6
表1-6 水平軸與垂直軸式發電機之比較 11
表4-1 不同雷諾數所得知結果與實驗值之比對 42
表4-2 迎風C型葉片得出之阻力系數 47
表4-3 背風C型葉片得出之阻力系數 48
表4-4 無外罩兩葉片C型轉子力矩誤差表 49
表4-5 四片外罩兩葉片C型轉子力矩誤差表 52
表4-6 六片外罩兩葉片C型轉子力矩誤差表 55
表4-7 45度對稱八片外罩兩葉片C型轉子力矩誤差表 58
表4-8 90度對稱八片外罩兩葉片C型轉子力矩誤差表 60
表4-9 6 m⁄s 無外罩六葉片C型轉子力矩誤差表 62
表4-10 8 m⁄s 無外罩六葉片C型轉子力矩誤差表 63
表4-11 6 m⁄s 四片外罩六葉片C型轉子力矩誤差表 66
表4-12 8 m⁄s 四片外罩六葉片C型轉子力矩誤差表 66
表4-13 6 m⁄s六片外罩六葉片C型轉子力矩誤差表 68
表4-14 8 m⁄s六片外罩六葉片C型轉子力矩誤差表 69

圖目錄
圖1-1 台灣風力發電累積裝置容量 5
圖1-2 風力機的結構[4] 7
圖1-3 各式水平軸式風車[5] 8
圖1-4 各式垂直軸式風車[5] 10
圖1-5 C型葉片垂直軸式風車 10
圖1-6 一維風機[6] 11
圖1-7 一維風機取控制體積[6] 12
圖1-8 一維風機取控制體積[6] 14
圖1-9 Cp、CT 理論分布[7] 16
圖1-10 各類風車的功率極限[8] 16
圖1-11 集風罩實體圖(左)及搭配的兩葉片(a)、六葉片(b)阻力型轉子實體圖[15] 20
圖3-1 研究方法流程圖[21] 28
圖3-2 模擬低雷諾數時的邊界外型與設定 29
圖3-3 模擬高雷諾數時的邊界外型與設定 30
圖3-4 C型轉子邊界外型與設定 31
圖3-5 各項殘差係數〖10〗^(-4) 32
圖3-6 各項殘差係數的〖10〗^(-7) 33
圖3-7 網格獨立性測試[12] 34
圖3-8 網格獨立性測試[12] 35
圖3-9 滑動格點技術圖解示意圖[20] 36
圖3-10 風洞外觀 37
圖3-11 風洞整流段 38
圖3-12 風洞測式段 38
圖3-13 皮托管 39
圖3-14 扭力計 39
圖3-15 控制箱 40
圖3-16 風洞的漸擴管 40
圖4-1 阻力系數比較圖[22] 41
圖4-2 氣流流經圓柱的流場[23] 41
圖4-3 RE=30流場 43
圖4-4 RE=70流場 43
圖4-5 RE=200流場 44
圖4-6 RE=1000流場 44
圖4-7 RE=100000流場 45
圖4-8 C型葉片迎風及背風時的阻力系數[24] 45
圖4-9迎風C型葉片 46
圖4-10 背風C型葉片 46
圖4-11無外罩兩葉片C型轉子力矩比較圖 50
圖4-12 35rpm時無外罩兩葉片C型轉子RNG模式流場圖 50
圖4-13 45rpm時無外罩兩葉片C型轉子Quadratic模式流場圖 51
圖4-14 四片外罩兩葉片C型轉子示意圖 52
圖4-15 四片外罩兩葉片C型轉子力矩比較圖 53
圖4-16 110rpm四片外罩兩葉片C型轉子RNG模式流場圖 53
圖4-17 110rpm時四片外罩兩葉片C型轉子Standard模式流場圖 54
圖4-18 110rpm時四片外罩兩葉片C型轉子Quadratic模式流場圖 54
圖4-19 六片外罩兩葉片C型轉子示意圖 55
圖4-20 六片外罩兩葉片C型轉子力矩比較圖 56
圖4-21 80rpm時六片外罩兩葉片C型轉子RNG模式流場圖 56
圖4-22 45度對稱八片外罩兩葉片C型轉子示意圖 57
圖4-23 45度對稱八片外罩兩葉片C型轉子力矩比較圖 58
圖4-24 50rpm時45度對稱八片外罩兩葉片C型轉子RNG模式流場圖 59
圖4-25 90度對稱八片外罩兩葉片C型轉子示意圖 59
圖4-26 90度對稱八片外罩兩葉片C型轉子力矩比較圖 60
圖4-27 135rpm時90度對稱八片外罩兩葉片C型轉子RNG模式流場圖 61
圖4-28 6 m⁄s 無外罩六葉片C型轉子力矩比較圖 63
圖4-29 8 m⁄s無外罩六葉片C型轉子力矩比較圖 64
圖4-30 70rpm、6 m⁄s 時無外罩六葉片C型轉子RNG模式流場圖 64
圖4-31 50rpm、8 m⁄s 時無外罩六葉片C型轉子RNG模式流場圖 65
圖4-32 6 m⁄s四片外罩六葉片C型轉子力矩比較圖 66
圖4-33 8 m⁄s 四片外罩六葉片C型轉子力矩比較圖 67
圖4-34 65rpm、6 m⁄s 時四片外罩六葉片C型轉子RNG模式流場圖 67
圖4-35 100rpm、8 m⁄s 時四片外罩六葉片C型轉子RNG模式流場圖 68
圖4-36 6 m⁄s 六片外罩六葉片C型轉子力矩比較圖 69
圖4-37 8 m⁄s 六片外罩六葉片C型轉子力矩比較圖 70
圖4-38 80rpm、6 m⁄s 時六片外罩六葉C型轉子RNG模式流場圖 70
圖4-39 100rpm 、8 m⁄s 時六片外罩六葉C型轉子RNG模式流場圖 71
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[24] Bruce R. Munson, Donald F. Young, and Theodore H. Okiishi, fundamental of fluid mechanics,4^thed., p.593, Wiley,2001.
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