风能以其蕴量巨大、可再生、分布广泛、无污染的特点，越来越受到人们对其开发与利用的青睐。现目前，传统能源日益贫乏也加速了人们对于风能的利用，在我国风能已成为三大主要能源-09-18基金项目：西南科技大学大学生创新基金项目资助（CX16之。风能以其无污染可再生的特点，在未来世界里必将成为有潜力的新能源m.风电是人们利用风能主要也是重要的种形式，其原理是通过运用风力机把风能转换为机械能，再把机械能转化为电能。目前，利用风能所采用的风力机类型有垂直轴和水平轴风力机两种形式。水平轴风力机主要应用于大型的风力机发电场，而垂直轴风力机主要应用于小型家电中，因此垂直轴风力机的应用更加贴近生活。如何提高垂直轴风力机对风能的利用率是各位学者目前研究的一个热点。现目前，各位学者根据使垂直轴风力机旋转的力的不同类型，将风力机大致分为三类：阻力型3、升力型H、阻升混合型三种类型，对这几种垂直轴风力机的研究集中在自启动能力以及风能利用率两个方面。通过各位学者的研究表明，在这三种类型的垂直轴风力机中，自启动能力与风能利用率好的是组合型，其次是升力型，后是阻力型的垂直轴风力机。但目前这几种风力机的风能利用系数均不高，与理论计算值还有一段差距，因此如何获得自启动能力强，风能利用率高，而且结构相对简单的垂直轴风力机，是目前各位学者研究的主要内容。

　　根据各位学者的研究现状以及研究方向，文中的目的是研究与开发一种新型随动变桨垂直轴风力机的技术，通过技术改善风力机的自启动能力与提高风能利用系数，并且使这种新型随动变桨垂直轴风力机结构相对简单。这种风力机技术的新型主要体现在变桨系统，此变桨系统的特点是不需要添加任何其它外加装置或者动力的情况下，风力机主轴在旋转的同时带动叶片的旋转。其主要的原理是：主轴和叶片同时沿着同一方向旋转，当主轴旋转一周时，风力机叶片只旋转半周，即：主轴的旋转角速度是叶片旋转角速度的2倍。

　　本次课题在研究时采用FLUENT数值仿真软件，通过数值模拟的方法，仿真当风流过此新型随动变桨垂直轴风力机时，其流场分布情况以及气动性能特点，并且将其分别与传统垂直轴风力机、理想直叶片垂直轴风力机的气动参数进行做对比分析，以此来判断此新型随动变桨垂直轴风力机的气动性能优劣以及预测其应用前景。

　　1几何模型的建立研究时，建立新型随动变桨垂直轴风力机、传统垂直轴风力机以及理想状态下直叶片垂直轴风力机的二维静态模型，叶片考虑用帆布制作，其长度均设定为单位长度1m，叶片中心与旋转中心的距离也为1m，不考虑风力机主轴、附轴以及帆布厚度的影响，且风力机的初始启动位置位于Y轴上。1.1随动变桨垂直轴风力机几何模型为更好的分析随动变桨垂直轴风力机的气动特点及流场分布情况，建模时沿着逆时针旋转，每次主轴旋转15.，叶片旋转7.5°建立计算模型：即力机转动一周时，8个特殊位置的计算模型。以0、30、60、90为例，几何模型图如所示。

　　新型随动变桨垂直轴风力机二维几何模型。2传统、理想直叶片垂直轴风力机的几何模型传统垂直轴风力机是指风力机的叶片不自转，只跟随风力机的主轴旋转。理想直叶片垂直轴风力机是指当风力机叶片处于迎风面时，叶片始终与来流风垂直；当叶片处于背风面时，叶片始终与来流风平行。

　　建立传统垂直轴风力机和理想直叶片垂直轴风力机计算模型，其主要目的是与新型随动变桨垂直轴风力机进行气动性能的对比分析。故分别建立两种模型0、30、60、90四种不同角度下的计算模型，如-3所示。

　　传统垂直轴风力机二维模型计算计算区域及控制方程2.1计算区域计算流域为：入流边界到风力机的旋转中心理想直叶片垂直轴风力机二维模型图取15D；出流边界到风力机的旋转中心取50D；两个侧面流域到风力机的旋转中心均为15D（D为叶片直径）；总流域为：长x宽=65x30m.以随动变桨垂直轴风力机0.计算模型为例，计算区域示意图如所示。

　　对称边界计算区域示意。2控制方程湍流模式理论是以雷诺平均方程与脉动运动方程为基础，引入系列的湍流模型假设，建立起组描述平均量的封闭方程组。标准的k-模型是个半经验公式，是从。

　　3.2网格划分网格的划分，在数值模拟时非常重要，网格质量的好坏直接影响数值计算的精度。在本次研究中，由于风力机叶片的不对称性，所以采用结构网格与非结构网格的方式进行网格划分，非结构网格区域主要集中在风力机叶片周围，并且进行了加密处理。以0.计算模型为例，叶片网格划分的局部示意图如所示。

　　网格划分局部示意随动变桨垂直轴风力机气动参数及流场分析4.1气动参数分析通过计算，新型随动变桨垂直轴风力机在8种模型下的阻力、升力以及转矩系数平均值被得到，如所示。

　　从上图可以看出，风力机叶片转动过程中，阻阻力、升力、力矩系数平均值力系数、升力系数以及转矩系数均是呈现周期性变化，这与风力机的周期旋转特性相符，说明本次计算所得到的结果是可信的。

　　从所得结果可以发现：阻力系数与力矩系数的变化趋势相同且均为正值，从0.到60.阻力及转矩系数逐渐减小，60.到105.逐渐增大。0.时阻力系数和转矩系数均大，分别为2.9875与2.9459；阻力系数和转矩系数小值发生在60.时，其值分别为：1.2008与1.1082.分析其原因：风力机从0.旋转到60.的过程中，推动风力机旋转的叶片之间逐渐发生遮挡，且遮挡的区域越来越大，故阻力及转矩系数均逐渐减小；而风力机从60.到120.的转动过程中，推动风力机旋转的叶片之间的遮挡区域又逐渐减小，故阻力及转矩又逐渐增大，这与理论分析的结果相符。

　　而升力系数在风力机的旋转过程中是一个先减小后增大再减小的一个过程；0~30.及60~ 120.逐渐减小，30~60.升逐渐增大。在0~45.升力系数为负值，60 ~105.升力系数为正值。升力系数大发生在60.时，其值为：0. 49287，说明此类型风力机所产生的升力非常小，对风力机的转动影响不大。

　　4.2压力场及速度场分析通过对几种模型下阻力和转矩系数的分析，可以发现，阻力系数以及转矩系数大是0.时，小是60.时，故对这两种模型的压力场以及速度场进行分析。通过计算，当流场稳定以后，分别得到0.、60.是的压力与速度等值线分布图，如-8所示。

　　从压力等值线分布图可以看出，风力机叶片在12m/s风速作用下，正压和负压均存在。在0.模型中，三个叶片的迎风面均为正压力，且压力梯压力等值线分布图度大，Y轴上的风力机叶片与Y轴右侧的叶片上的正压力使风力机沿着逆时针旋转，故对风力机的旋转是推动作用；而Y轴左侧的叶片正压力在叶片的下半部分，此正压力有使风力机沿着顺时针旋转的趋势，故对风力机的旋转是抑制作用。

　　负压的位置，主要分布在与Y轴上的叶片背风面，且压力梯度同样比较大。在60°模型中，正压力主要出现在Y轴右侧的叶片之上，压力梯度同样比较大，这两个叶片上的压力均对风力机的旋转起推动作用；而Y轴左侧的叶片由于右侧叶片的遮挡，压力梯度较小，两叶片之间出现漩涡，压力梯度也较小。与X轴平行的叶片上的压力，对风力机的转动基本无影响。

　　速度等值线分布图从上图可以看出，当来流流过风力机时，其局部的大风速均会大于来流风速，风速大位置均出现在风力机叶片的迎风面。在0.模型中，X轴以上的叶片以及Y轴左侧的叶片背部均出现死水区域，风速为0；在60°模型中，X轴以上的叶片背部以及两叶片之间同样出现死水区域。死水区域的出现，可有效的减小风力机背面所出现的阻力，与X轴平行的风力机叶片，不会对风的流动产生大的扰动，相当于风从平板上流过，不产生阻力，更有利于风力机的转动。

　　5对比分析为判断此随动变桨垂直轴风力机的气动优势，本次研究时还分别与传统垂直风力机和理想直叶片垂直轴风力机的阻力系数和转矩矩系数进行了对比分析。见表1-2.表1阻力系数平均值垂直轴风力机计算模型类型传统随动变桨理想直叶片通过上表中对比发现，随动变桨垂直轴风力机和理想直叶片垂直轴风力机均比传统垂直轴风力机的阻力系数要低，说明这两类风力机均可减小叶片所产生的阻力。但相对于理想状态下直叶片垂直轴风力机而言，随动变桨垂直风力机的平均阻力系数有要大一些。

　　表2转矩系数平均值垂直轴风力机类型计算模型传统随动变桨理想直叶片从得到的三种模型下的转矩系数可以发现，新型随动变桨垂直轴风力机在四种模型下，转矩系数均高于其他两类风力机，气动性能优于其他两类风力机，说明随动变桨垂直轴风力机均可以有效的增加风力机叶片所产生的力矩。

　　6结束语这次课题探讨与分析的是新型随动变桨垂直轴风力机气动参数及其特点，通过数值模拟的方法得到风力机的阻力系数、升力系数以及转矩系数均是呈现周期性变化，这与风力机的周期旋转特性相符，表明本次计算所得到的结果是可信的。

　　此新型随动变桨垂直轴风力机的阻力系数与力矩系数的变化趋势相同且均为正值，当有风力机叶片与Y轴平行时，此时刻风力机阻力系数和力矩系数大，当有一风力机叶片与X轴平行时，此时刻风力机阻力系数和力矩系数小，升力系数大。

　　通过新型随动变桨垂直轴风力机与传统垂直轴风力机和理想直叶片垂直轴风力机的气动参数进行对比分析可知，随动变桨垂直轴风力机转矩系数均高于其他两类风力机。说明，随动变桨技术可有效的增加垂直轴风力机叶片所产生的力矩，对提高风力机的风能利用率是很有帮助。