[[alternative]]Numerical simulation of the flow field of small wind turbines with diffuser

碩士[[abstract]]本研究探討小型風力機加入外罩後流場的變化，為了瞭解不同型式的外罩產生的效能，利用PROENGINEER 電腦輔助設計軟體將風力發電機外型輪廓畫出，由Gambit產生網格並以Fluent 6.3.23版求解三維穩態不可壓縮的Navier-Stokes方程式以了解流場變化。 一開始先與實驗值互相驗證無外罩的風力機，使用網格數約160萬的結果可有一定的精確性，再探討加入外罩和無外罩的風力機流場分佈與效能，當風力機加上外罩後，得到的風速變大，最後得到的效能也較好。影響外罩的參數有擴散器的長度（L）、入口直徑（D）、擴張的角度以及外緣的長度（T），本研究選用外緣伸長的長度、擴散器出口與中心軸的距離和後段擴散器的擴散角度來分析。 研究與結果顯示，外緣伸長的長度有決定性的效果，且當外緣伸長的越長，得到的效能也較好。擴散器出口與中心軸的距離則必須具有一定長度，若太短或太長皆無法得到好的效能。最後，後段擴散器的擴散角度至少要在14度以上才能得到好的效能。[[abstract]]The aim of this study is to investigate the efficiency and flow field of small wind turbines with diffuser. The wind turbine models were first drawn by the CAD software, ProEngineer. They were input to the grid generation software Gambit to generate grid. The commercial CFD software package, Fluent 6.3.23 version, was then used to solve the Navier-Stokes equations to obtain the flow field and do the performance analysis. In doing the performance analysis, we first compare the power coefficients of bare wind turbines with experimental data. The numerical results show consistent trend with that of experimental data. We then compare the performance and flow field of bare wind turbines and wind turbines with diffuser. The conclusion is that the power coefficients of the latter are higher than that of the former. Three parameters, diffuser length, expansion angle, and flange length, were investigated to determine their effects on the performance of the diffuser. According to the results, the flange length has the decisive effect. A longer flange gives higher power coefficient. There is an optimum value for the diffuser length, too long or too short gives worse result. Finally, expansion angle must be greater 14 degrees if a favorable effect is to be obtained.[[tableofcontents]]表目錄 VIII 圖目錄 IX 第一章 序論 1 1.1 研究動機 1 1.2 台灣風力發電發展 7 第二章 文獻回顧 12 2.1 風力發電原理 12 2.2 葉片空氣動力 17 2.3 風力發電機性能表示法 20 2.4 風力發電機種類 23 2.5 外罩研究 31 第三章 研究方法 34 3.1 數值方法 34 3.2 數值分析 36 3.2.1 統御方程式 36 3.2.2 空間項離散 40 3.2.3 壓力速度耦合 41 3.3 外罩模型建立 44 3.4 網格生成 48 3.5 邊界條件設定 52 第四章 實驗設備介紹 55 4.1 實驗設備 55 4.2 實驗與數值比較 59 第五章 結果與討論 64 5.1 選用觀察面 65 5.2 純風力機與基本型擴散器風力機比較 67 5.3 出口延伸型擴散器的比較 71 5.4 外緣伸長型擴散器的比較 80 5.5 後擴散器型擴散器的比較 94 第六章 總結 103 6.1 結論 103 6.2 未來展望 104 參考文獻 105 表目錄 表1-1台電公司風力發電第一期相關資料 ............................. 9 表1-2風力發電示範系統相關資料表 ................................... 11 表2-1風機種類 ....................................................................... 24 表3-1外緣名稱與尺寸 ........................................................... 46 表3-2延伸長度與名稱 ........................................................... 47 表3-3擴散角度與名稱 ........................................................... 48 表4-1不同網格與實驗值在不同轉速的力矩（N〃m）比較........................................................................................... 62 表5-1模擬之邊界條件 ........................................................... 64 表5-2加入擴散器前後不同轉速的力矩比較 ....................... 71 表5-3基本型與出口延伸型的力矩比較 ............................... 79 表5-4基本型與外緣型的力矩比較 ....................................... 93 表5-5基本型與後擴散角度型的力矩比較 ......................... 101 圖目錄 圖1-1 西元1996年至2009年全球風力發電總裝置容量 .... 2 圖1-2 屋頂上的風力發電裝置 ................................................ 3 圖1-3 風力發電設置在汽車車輪上 ........................................ 4 圖1-4 車用內裝型及風式風力發電機 .................................... 4 圖1-5 結合風力發電的路燈 .................................................... 5 圖1-6 結合風力發電的腳踏車 ................................................ 5 圖1-7 折疊式風力發電機，圖右為摺疊後的長相 ................ 6 圖1-8 加入外罩的風力發電裝置 ............................................ 7 圖1-9 國內最早之風力發電機 ................................................ 8 圖2-1 風機運作方式 .............................................................. 12 圖2-2 風經過轉子圓盤到下游示意圖 .................................. 13 圖2-3 壓力與速度經過轉子的改變圖 .................................. 14 圖2-4 經過轉子圓盤附近的控制體積 .................................. 15 圖2-5 經過轉子圓盤不同的控制體積 .................................. 17 圖2-6白努力定律應用於風車葉片示意圖 ........................... 18 圖2-7 相對速度圖 .................................................................. 19 圖2-8 葉片截面受力分析圖 .................................................. 19 圖2-9 、 與a的關係圖 .................................................. 22 圖2-10 各式風車性能曲線 .................................................... 23 圖2-11 各種水帄軸式風機 .................................................... 25 圖2-12 S型垂直風力機葉片 .................................................. 26 圖2-13達流斯葉片 ................................................................. 27 圖2-14各種垂直軸風力機 ..................................................... 27 圖2-15 上風式與下風式的風力機 ........................................ 28 圖2-16 擴散型外罩式風力發電機 ........................................ 29 圖2-17 有外緣的外罩式風力發電機 .................................... 30 圖2-18 加裝尾部的外罩式風力發電機 ................................ 30 圖2-19 喇叭狀外罩式風力發電機 ........................................ 31 圖2-20 外罩式風力發電機流場示意圖 ................................ 32 圖2-21 影響參數 .................................................................... 33 圖3-1 CFD求解過程 .............................................................. 35 圖3-2 壓力基礎的耦合法則流程 .......................................... 37 圖3-3 說明離散方程的控制體積 .......................................... 39 圖3-4 SIMPLE算則 ................................................................ 43 圖3-5 風車葉片外型 .............................................................. 44 圖3-6 擴散器尺寸 .................................................................. 45 圖3-7 外緣外型側面圖 .......................................................... 46 圖3-8 外緣外型視角圖 .......................................................... 47 圖3-9 3-D網格類型 ................................................................ 49 圖3-10 葉片網格 .................................................................... 50 圖3-11 轉動區域表面網格 .................................................... 50 圖3-12 網格整體呈現 ............................................................ 51 圖3-13 帄面x = 0網格 .......................................................... 52 圖4-1 風洞外觀 ...................................................................... 55 圖4-2 測試段 .......................................................................... 56 圖4-3 皮托管位置與方向 ...................................................... 57 圖4-4 風車外觀 ...................................................................... 58 圖4-5 控制箱外觀 .................................................................. 59 圖4-6 網格整體剖面呈現 ...................................................... 60 圖4-7 葉片表面網格點，（上為131萬網格，下為92萬網格）........................................................................................... 61 圖4-8 轉動網格區域剖面圖（上為131萬網格，下為158萬網格） .......................................................................... 61 圖4-9 實驗值與不同網格數的性能曲線 .............................. 62 圖5-1 NACA2415翼型 ........................................................... 65 圖5-2 截面A正視圖 ............................................................. 66 圖5-3 截面B正視圖 ............................................................. 66 圖5-4 沒有擴散器的截面A速度分佈 ................................. 67 圖5-5 加入擴散器後的截面A速度分佈 ............................. 68 圖5-6 加入擴散器後的截面A向量圖 ................................. 68 圖5-7 沒有擴散器的截面壓力分佈 ...................................... 69 圖5-8 加入擴散器後的截面壓力分佈 .................................. 70 圖5-9 加入擴散器前後的性能圖比較 .................................. 71 圖5-10 基本型在截面A下的速度分佈 ............................... 72 圖5-11 出口延伸1在截面A下的速度分佈 ....................... 73 圖5-12 出口延伸2在截面A下的速度分佈 ....................... 73 圖5-13 出口延伸3在截面A下的速度分佈 ....................... 74 圖5-14 出口延伸1在截面B下的速度分佈 ....................... 75 圖5-15 出口延伸2在截面B下的速度分佈 ....................... 75 圖5-16 出口延伸3在截面B下的速度分佈 ....................... 76 圖5-17 出口延伸1在截面A的壓力分佈 ........................... 77 圖5-18 出口延伸2在截面A的壓力分佈 ........................... 77 圖5-19 出口延伸3在截面A的壓力分佈 ........................... 78 圖5-20 基本型與出口延伸型的Cp與λ關係圖 ................. 79 圖5-21 外緣伸長1在截面A的速度分佈 ........................... 80 圖5-22 外緣伸長2在截面A的速度分佈 ........................... 81 圖5-23 外緣伸長3在截面A的速度分佈 ........................... 81 圖5-24 外緣伸長4在截面A的速度分佈 ........................... 82 圖5-25 外緣伸長5在截面A的速度分佈 ........................... 82 圖5-26 外緣伸長6在截面A的速度分佈 ........................... 83 圖5-27 外緣伸長1在截面A的速度向量 ........................... 83 圖5-28 外緣伸長2在截面A的速度向量 ........................... 84 圖5-29 外緣伸長3在截面A的速度向量 ........................... 84 圖5-30 外緣伸長4在截面A的速度向量 ........................... 85 圖5-31 外緣伸長5在截面A的速度向量 ........................... 85 圖5-32 外緣伸長6在截面A的速度向量 ........................... 86 圖5-33 外緣伸長1在截面B的速度向量 ........................... 87 圖5-34 外緣伸長2在截面B的速度向量 ........................... 87 圖5-35 外緣伸長3在截面B的速度向量 ........................... 88 圖5-36 外緣伸長4在截面B的速度向量 ........................... 88 圖5-37 外緣伸長5在截面B的速度向量 ........................... 89 圖5-38 外緣伸長6在截面B的速度向量 ........................... 89 圖5-39 外緣伸長1在截面A的壓力分佈 ........................... 90 圖5-40 外緣伸長2在截面A的壓力分佈 ........................... 90 圖5-41 外緣伸長3在截面A的壓力分佈 ........................... 91 圖5-42 外緣伸長4在截面A的壓力分佈 ........................... 91 圖5-43 外緣伸長5在截面A的壓力分佈 ........................... 92 圖5-44 外緣伸長6在截面A的壓力分佈 ........................... 92 圖5-45 基本型與外緣型的Cp與λ關係圖 ......................... 94 圖5-46 後擴散角度1在截面A的速度向量 ....................... 95 圖5-47 後擴散角度2在截面A的速度向量 ....................... 95 圖5-48 後擴散角度3在截面A的速度向量 ....................... 96 圖5-49 後擴散角度4在截面A的速度向量 ....................... 96 圖5-50 後擴散角度1在截面B的速度分佈 ....................... 97 圖5-51 後擴散角度2在截面B的速度分佈 ....................... 97 圖5-52 後擴散角度3在截面B的速度分佈 ....................... 98 圖5-53 後擴散角度4在截面B的速度分佈 ....................... 98 圖5-54 後擴散角度1在截面A的壓力分佈 ....................... 99 圖5-55 後擴散角度2在截面A的壓力分佈 ....................... 99 圖5-56 後擴散角度3在截面A的壓力分佈 ..................... 100 圖5-57 後擴散角度4在截面A的壓力分佈 ..................... 100 圖5-58 基本型與後擴散角度型的Cp與λ關係圖 ........... 102[[note]]學號: 697430071, 學年度: 9