本研究使用計算流體力學軟體FLUENT模擬小型風車流場，分析其空氣動力特性，並將模擬結果與風洞中實際之小型風車實驗測試所得之實驗值進行比對，主要目的為驗證數值模擬結果應用於實際風車之效能分析可行性。
    本文採用NACA2415與NACA4415作為小型風車之葉片翼型。先利用電腦輔助設計軟體Pro-Engineer描繪出模型後，以線面體方式在網格產生器Gambit裡逐步長成非結構網格，再以數值計算結果，並探討雙葉片與三葉片小型風車之數值與實驗比較。
    研究結果發現，網格密度對數值計算結果影響極大，以二維翼剖面為例，若要得到精確解則必須有一定密度之網格。而雙葉片小型風車之數值計算結果雖然與實驗值有誤差，但趨勢上皆相似，三葉片小型風車之實驗值與數值計算結果相當吻合，因此證實了數值計算能夠應用於實際風車流場之計算。

In this study, computational fluid dynamics software FLUENT was used to simulate the flow field of small wind turbines. To explore the feasibility of using FLUENT to design small wind turbines, a series of tests were also conducted in a small wind tunnel.
     Two airfoil shapes, NACA2415 and NACA4415, were used as the blade shapes of the small wind turbines. We first used the computer aided design software, Pro Engineer, to draw the configuration of the wind turbines. A line, surface, and body approach was used in the grid generator, GAMBIT, to generate unstructured grids for the wind turbines. FLUENT was then used to simulate two- and three-blade wind turbines. The calculated power coefficients were compared with the experimental data to validate the numerical results. 
     The research showed that grid density has decisive effects on the accuracy of the numerical solutions. We used a two-dimensional wing profile as an example and demonstrated that a very high grid density is needed near the airfoil surface if accurate results are to be obtained. The errors between calculated and experimental power coefficients were larger for two-blade wind turbines. But the trend of the curves is similar. The corresponding errors are much smaller for three-blade wind turbines. Finally, we feel that numerical simulation can be an efficient tool in designing small wind turbines but more validations are needed before it becomes a reality.

目錄	iv
表目錄	vi
圖片目錄	vii
符號說明	xii
第一章 前言	1
1.1研究背景	1
1.2 研究動機	2
1.3 風的使用歷史和現狀	3
1.4 風力發電對產業之影響	5
第二章 文獻回顧	7
2.1 風車種類	7
2.1.1 水平軸風車的種類和特徵	8
2.1.2 垂直軸風車的種類和特徵	10
2.1.3 特殊風車	14
2.2 風車的空氣力學	14
2.3 風車轉動性能分析	16
第三章 研究方法	25
3.1數值模擬流程	25
3.2數值方法	29
3.3統御方程式	31
3.3.1 FLUENT離散方法與修正	31
3.4實驗設備與儀器	34
第四章 研究結果與討論	39
4.1數值模擬之初步探討	39
4.2數值模擬修正	43
4.2.1網格對數值模擬結果影響	44
4.3修正模擬結果	50
4.5雙葉片風車模擬與實驗結果	53
4.6三葉片風車模擬與實驗結果	59
4.7網格獨立性	67
第五章 未來展望與總結	68
5.1 總結	68
5.2未來展望	69
參考文獻	70
附錄 論文簡要版	72


表目錄
表1-1 全球各國風力發電機容量示意圖[5].........................................6
表2-1 一維風力機入口及出口之壓力與速度值...............................16
表4-1 不同網格數所得功率係數.......................................................67


圖片目錄
圖 1-1 各類電力生產成本[1] ..........................................................3
圖 1-2 全台發電系統裝置比率[2]...................................................3
圖 1-3 伊斯蘭的垂直軸風車[3].......................................................4
圖 2-1 各種風車分類.......................................................................7
圖 2-2 荷蘭型風車...........................................................................8
圖 2-3 螺旋槳型風車[6] ..................................................................9
圖 2-4 多翼型風車[7] ......................................................................9
圖 2-5 帆型風車[8] ........................................................................10
圖 2-6 划槳翼型風車[6] ................................................................ 11
圖 2-7 桶型風車[6] ........................................................................ 11
圖 2-8 旋翼型風車[8] ....................................................................12
圖 2-9 打蛋型風車[6] ....................................................................13
圖 2-10 佛萊特納型風車[9] ..........................................................13
圖 2-11 代表性的風車葉片剖面[3]...............................................15
圖 2-12 葉片翼剖面受力分析圖...................................................15
圖 2-13 一維風力機流場圖...........................................................17
圖 2-14 流場速度與壓力變化圖...................................................17
圖 2-15 風力機控制體積...............................................................18
圖 2-16 風力機不同的控制體積...................................................19
圖 2-17 P C 、T C 與誘導係數a 關係圖..........................................21
圖 2-18 各種風車的功率係數.......................................................24
圖 2-19 各種風車的扭矩係數.......................................................24
圖 3-1 數值模擬流程圖.................................................................25
圖 3-2 線網格................................................................................27
圖 3-3 面網格................................................................................27
圖 3-4 體網格剖面圖.....................................................................28
圖 3-5 分離求解法流程圖.............................................................30
圖 3-6 耦合求解法流程圖.............................................................31
圖 3-7 開迴路吸氣式風洞.............................................................35
圖 3-8 風洞測試段.........................................................................35
圖 3-9 風洞後段漸擴管.................................................................36
圖 3-10 控制箱..............................................................................36
圖 3-11 扭力計與皮托管...............................................................37
圖 3-12 三葉片小型風車...............................................................37
圖 3-13 雙葉片小型風車...............................................................38
圖 4-1 NACA2415 翼剖面[17] .......................................................40
圖 4-2 NACA2415 風車葉片模型..................................................40
ix
圖 4-3 網格及外邊界示意圖.........................................................41
圖 4-4 螺距角5 degree 之NACA2415 功率係數分布.............................41
圖 4-5 螺距角5 degree 之NACA2415 壓力係數分布.............................42
圖 4-6 螺距角7.5 degree 之NACA2415 功率係數分布..........................42
圖 4-7 螺距角7.5 degree 之NACA2415 壓力係數分布..........................43
圖 4-8 二維翼剖面外流場.............................................................44
圖 4-9 二維翼剖面之低密度網格.................................................45
圖 4-10 二維翼剖面之中密度網格...............................................45
圖 4-11 二維翼剖面之高密度網格...............................................46
圖 4-12 低密度網格速度分布變化圖...........................................47
圖 4-13 低密度網格壓力係數分布...............................................47
圖 4-14 中密度網格速度分布變化圖...........................................48
圖 4-15 中密度網格壓力係數分布...............................................48
圖 4-16 高密度網格速度分布變化圖...........................................49
圖 4-17 高密度網格壓力係數分布...............................................49
圖 4-18 NACA4415 翼剖面[17] .....................................................51
圖 4-19 NACA4415 風車葉片模型................................................52
圖 4-20 較疏的NACA2415 葉片表面網格..................................52
圖 4-21 較密的NACA4415 葉片表面網格..................................53
x
圖 4-22 螺距角3 degree 之雙葉片風車實驗功率係數分布....................53
圖 4-23 螺距角5 degree 之雙葉片風車實驗功率係數分布....................54
圖 4-24 螺距角7.5 degree 之雙葉片風車實驗功率係數分布.................54
圖 4-25 雙葉片風車功率係數實驗值比較....................................55
圖 4-26 螺距角3 degree 之雙葉片風車實驗與數值功率係數比較.........56
圖 4-27 螺距角3 degree 之雙葉片風車數值壓力係數分布....................56
圖 4-28 螺距角5 degree 之雙葉片風車實驗與數值功率係數比較.........57
圖 4-29 螺距角5 degree 之雙葉片風車數值壓力係數分布....................57
圖 4-30 螺距角7.5 degree 之雙葉片風車實驗與數值功率係數比較......58
圖 4-31 螺距角7.5 degree 之雙葉片風車數值壓力係數分布.................58
圖 4-32 雙葉片風車數值功率係數比較........................................59
圖 4-33 螺距角3 degree 之三葉片風車實驗功率係數分布....................60
圖 4-34 螺距角5 degree 之三葉片風車實驗功率係數分布....................61
圖 4-35 螺距角7.5 degree 之三葉片風車實驗功率係數分布.................61
圖 4-36 三葉片風車實驗功率係數比較........................................62
圖 4-37 螺距角3 degree 之三葉片風車實驗與數值功率係數比較.........63
圖 4-38 螺距角3 degree 之三葉片風車數值壓力係數分布....................63
圖 4-39 螺距角5 degree 之三葉片風車實驗與數值功率係數比較.........64
圖 4-40 螺距角5 degree 之三葉片風車數值壓力係數分布....................64
xi
圖 4-41 螺距角7.5 degree 之三葉片風車實驗與數值功率係數比較......65
圖 4-42 螺距角7.5 degree 之三葉片風車數值壓力係數分布.................65
圖 4-43 三葉片風車數值功率係數比較........................................66

[1] 朱彥忠，萬寶周刊 913期，2011。
[2] 楊毅，經濟日報，2011/5/18。
[3] 牛山泉，三野正洋，“小型風車手冊【附．小型風車設計圖例】”，
    台大出版中心，2010。
[4] 牛山泉，“圖解風力發電入門”，世茂出版有限公司，2010。
[5] 全球風能協會網頁(GWEC,Global Wind Energy Council)，
    http://www.gwec.net/
[6] Wind & Windmills, http://www.hakusa.com/wind/
[7] American Wind Power Center and Museum
   Lubbock,TEXAS(http://www.windmill.com/index.html)
[8] 中華太陽能聯誼會(http://www.solar-i.com/index.html)
[9] MECARO Co. Ltd(http://www.mecaro.jp/eng/company.html)
[10] Walker, J. F. , and Jenkins, N. ,“Wind Energy Technology,”John 
   Wiley,Chichester England,1997.
[11] MARTIN O.L. HANSEN, “Aerodynamics of Wind Turbines,”
   James & James, Ltd, pp.27-32, 2000.
[12].徐彬堯，“風車葉片運動模擬與動態分析”，國立成功大學航空
   太空工程學系碩士論文，2005。
[13] Johnson, G. L.,“Wind Energy Systems,”Prentice Hall, Englewood 
   Cliffs, New Jersey,1985.
[14].孫耘，“新型垂直軸風力發電系統之設計與實現”，淡江大學
   電機工程學系碩士論文，2007。
[15] FLUENT User Guide,FLUENT Inc,2006.
[16] S.V. Patanker, D.B. Spalding, “A calculation processure for heat,
   mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows,”
   Int J Heat Transfer, 15:1787-1806,1972.
[17] LW-9237 大型風洞操作手冊，瑞領可技股份有限公司。
[18] UCIC Airfoil Coordinates Database，
    http://www.ae.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.html