出口圆弧半径对低风速风能汇聚影响规律研究

聚风装置的结构参数直接影响聚风型风力发电机的输出功率。为了提高聚风装置的聚风特性，本文重点考察低风速来流风下出口结构参数对聚风效率的影响规律，通过对直线型出口和五种不同圆弧型出口聚风模型进行数值仿真计算，对装置内部的流场分布特性进行分析和比较。结果表明，圆弧型出口聚风装置的聚风性能优于直线型出口聚风装置，圆弧型线能够有效改善扩张出口的流动分离现象，提高喉口段的风速，从而使风力发电机能获取更多风能，提高输出功率。

随着风能资源丰富和环境条件适合的大型风电场趋于饱和，人们逐渐把目光投向面积更广的低风速区域[1] [2] [3] [4]。靠近电网负荷的中东部以及南部大都处于低风速地区，面积约占全国风能资源区域的60%。如果对这些低品位风能资源加以利用，将能提升风能发展潜力并进一步拓宽风能地理利用范围[5] [6] [7]。

针对低风速风能的高效利用，研究证明，给风力发电机加一个适宜结构的聚风罩能够有效提高来流风的密度[8] [9] [10]。

Nasution 和Purwanto 应用数值工具分析比较了圆锥形、曲线型及其优化后扩张聚风装置的轴向速度曲线图，发现流线性扩张聚风装置的聚风性能要优于直线型聚风装置[11]。Ohya [12]针对三种空心聚风结构进行了研究，结果显示扩张型聚风结构对来流风有着更加卓越的加速效果。为进一步考察扩张出口结构对聚风装置整体聚风效率的影响，Ye [13]等人基于收缩–扩张聚风装置提出了一种低品位风能汇聚加速方法，并通过风洞实验验证了数值仿真结果。

基于本团队对直线型收缩–扩张聚风筒的研究， 考虑到流线型的聚风结构有着更加优秀的聚风能力， 本论文将采用CFD 数值模拟仿真方法，重点研究流线型出口段母线半径对聚风装置内部流场特性的影响，分析风能汇聚加速影响机理，为低品位风能的有效利用提供理论支撑。

2. 聚风装置物理模型和结构参数 本文研究对象为流线型收缩–扩张聚风加速装置，如图1 所示，该模型主要由收缩引流口、直筒状喉口，扩张出口三部分组成。收缩引流口母线半径为Rin，收缩段圆弧面与喉口的壁面相切，直筒状喉口为工作段，即风轮安装处，长度为lmid，直径为dm。扩张出口段长度为lout，母线半径为Rout。

本文的研究主要在于考察出口结构对聚风效率的影响，扩张出口母线为直线的聚风装置设置为参照模型，为进一步提升聚风装置的性能，将扩张出口母线由直线改为圆弧，采用控制变量的方法，保持扩张出口的总长度不变，建立Rout 为372 mm、472 mm、572 mm、672 mm、772 mm 的聚风装置模型作为对照组，以确定聚风性能更好的模型。