前缘旋转圆柱对垂直轴风力机气动性能的影响

翼型前缘设置旋转圆柱能够有效抑制大攻角下的流动分离，提高翼型升阻比。本文采用在垂直轴风力机叶片前缘加旋转圆柱的流动控制方法，研究此方法对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明：前缘旋转圆柱转速比和圆柱尺寸对翼型升阻特性影响显著，随着转速比和尺寸的增大，翼型上下表面压差逐渐增大，上表面分离区逐渐消失，升阻比得到提升。叶片前缘加旋转圆柱后，风力机的最大净风能利用率相比传统垂直轴风力机有所提升，且尖速比越小，前缘旋转圆柱对风能利用率的提升越显著。

风能是一种无污染的可再生能源， 风力发电已成为风能利用的重要形式之一[1] [2]。

根据转动轴方向的不同，风力机可分为垂直轴风力机和水平轴风力机。两者相比，水平轴风力机风能利用效率高，但其必须面朝风向，需要偏航装置和尾翼，且其重型设备都需置于塔架顶端，而垂直轴风力机可以接受各个方向的风，无需偏航装置和尾翼，其重型设备都在地面上，维护更加方便[3]。Darrieus 垂直轴风力机因其成本低，结构简单，易于维护，噪音低等优点而备受关注[4] [5]。

Modi 等[6]在翼型不同位置处加装旋转圆柱，研究其对叶片表面流动分离的影响，结果表明：在翼型前缘加旋转圆柱可以提升升力系数，推迟失速攻角，且转速比越大，升力系数越大。Zhang 等[7]对NACA0015 翼型前缘加旋转圆柱进行了研究，分析对比圆柱转速比及间隙对翼型气动性能的影响，并设计了一种前缘带旋转圆柱的新翼型。庄月晴等[8]研究了前缘旋转圆柱对S809 翼型气动性能的影响，结果表明：顺时针旋转的圆柱可以有效地抑制翼型表面的流动分离，改善翼型的气动性能。Zhuang [9]等探究了叶片前缘加旋转圆柱对水平轴风力机气动性能及流动控制特性的影响，结果表明：在大尖速比下， 叶片前缘加旋转圆柱风力机的风能利用率系数较原风力机有显著提升。Kazemi [10]等设计一个类似跑步机的翼型，翼型表面可以循环运动，其前缘最大厚度与NACA0021 翼型最大厚度一致，结果表面：翼型表面的循环运动速度影响着翼型的气动性能，随着循环速度的增加，翼型升力系数不断增大，升阻比在一定循环速度下达到最大。Lou [11]等通过实验和数值模拟探究了在NACA4418 翼型表面加旋转圆柱， 结果表明：在NACA4418 翼型分离点附近加旋转圆柱能有效改善翼型气动性能。翼型前缘设置旋转圆柱能够有效地抑制翼型表面的流动分离，但将前缘旋转圆柱应用于垂直轴风力机，分析其对风力机流场及动态气动性能的研究较少。

本文在NACA0015 翼型的基础上，对其前缘加装三种不同直径的圆柱得到三种新的翼型，采用数值模拟方法分析对比在不同转速比下三种翼型的气动性能。

选取气动性能最佳的翼型， 将其应用于Darrieus直叶片垂直轴风力机，研究前缘圆柱不同转速比对使用该翼型的垂直轴风力机气动性能的影响，分析对比该翼型垂直轴风力机与NACA0015 翼型垂直轴风力机的流场及风能利用率。