直線翼垂直軸風力機氣動特性研究綜述

李 巖, 鄭玉芳, 趙守陽, 馮 放, 李建業(yè), 王農(nóng)祥, 白榮彬

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150030;2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150030;3.東北農(nóng)業(yè)大學 理學院, 黑龍江 哈爾濱 150030)

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直線翼垂直軸風力機氣動特性研究綜述

李 巖1,2,*, 鄭玉芳1, 趙守陽1, 馮 放3,2, 李建業(yè)1, 王農(nóng)祥1, 白榮彬1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150030;2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150030;3.東北農(nóng)業(yè)大學 理學院, 黑龍江 哈爾濱 150030)

直線翼垂直軸風力機是當前升力型垂直軸風力機的典型代表，憑借著無需對風、結(jié)構(gòu)簡單、造型獨特等優(yōu)點在中小型風能利用領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。但由于其氣動特性復雜，且研究時間相對較短，尚有許多問題需要研究，還有很廣闊的發(fā)展空間。本文以直線翼垂直軸風力機的氣動特性研究為對象，介紹了風力機氣動特性研究歷程、研究現(xiàn)狀、主要工作原理，及氣動特性分析理論、常用的研究方法，尤其是對如何改善直線翼垂直軸風力機在低風速下的起動特性問題和高轉(zhuǎn)速下的氣動特性發(fā)揮問題的國內(nèi)外研究進展進行了分析和總結(jié)，并對今后的研究趨勢進行了展望。

直線翼垂直軸風力機；氣動特性；研究方法；葉片翼型；風輪結(jié)構(gòu)；研究進展

0 引 言

近年來，隨著全球生態(tài)環(huán)境惡化與能源緊缺問題日益突出，清潔可再生能源的開發(fā)利用得到了世界各國的廣泛關(guān)注，風能、太陽能等行業(yè)快速發(fā)展，尤其是風力發(fā)電已成為全球商業(yè)化利用最好的可再生能源之一[1]。可以預見，在未來10～20年的時間里，全球風能利用仍將保持高速增長態(tài)勢。為了實現(xiàn)風力發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中的高比例，當前風力發(fā)電領(lǐng)域的主要趨勢仍然是朝著大型化與大規(guī)模化并網(wǎng)發(fā)電方向發(fā)展[2]。大型化是指風力發(fā)電機組的單機容量越來越大，各國的開發(fā)目標已經(jīng)朝著7 M～10 M努力；大規(guī)?；侵革L電場的規(guī)模越來越大，海上大規(guī)模風電場已成為新興發(fā)展領(lǐng)域[3]，這些都是當前國際風力發(fā)電技術(shù)研究的主要熱點和前沿問題。然而，與此相對的是，針對離網(wǎng)型和分布式發(fā)電的中小型風能利用系統(tǒng)也是風能開發(fā)與利用中的重要且不可或缺的組成部分[4-5]。在大型風電快速發(fā)展的大背景下，中小型風電行業(yè)也在悄然發(fā)展和壯大，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，例如，在不適合采用大型并網(wǎng)發(fā)電的偏遠地區(qū)、農(nóng)牧區(qū)、海島、極地等地區(qū)有著越來越多的應(yīng)用和推廣，更重要的是，分布式和離網(wǎng)型發(fā)電不存在大型風力發(fā)電目前所面臨的棄風和限電問題，可以實現(xiàn)能量的最大化利用[6-7]。因此，針對中小容量離網(wǎng)型和分布式風能利用的新型風力機的研發(fā)也成為了當前國際風能領(lǐng)域的研究熱點問題[8]。而在這一領(lǐng)域，與當前的主流螺旋槳式水平軸風力機相比，風力機的另一大主要類型——垂直軸風力機得到了世界各國研究者的青睞和關(guān)注，尤其是對作為升力型垂直軸風力機代表的直線翼垂直軸風力機的研究最受矚目，已成為當前中小型風力機市場上水平軸風力機的主要競爭對手[9]。相對于水平軸風力機，直線翼垂直軸風力機具有葉片形狀和風輪結(jié)構(gòu)簡單、無需對風偏航機構(gòu)、造型獨特等主要優(yōu)勢[10]，但由于且其被研究的時間相對較短、風輪內(nèi)部流動情況復雜，氣動特性分析較難，盡管各國研究者進行了大量的探索和努力，取得了一定的進展，仍有一些問題需要研究和解決，還有非常廣闊的發(fā)展空間[11]。

為此，本文以直線翼垂直軸風力機氣動特性研究為對象，首先回顧了垂直軸風力機的主要發(fā)展歷程，然后介紹了直線翼垂直軸風力機的基本工作原理與氣動分析理論、常用研究方法，重點分析了直線翼垂直軸風力機在氣動特性研究方面存在的主要問題，尤其針對如何改善其在低風速下的起動特性問題和高轉(zhuǎn)速下的氣動特性發(fā)揮問題的國內(nèi)外研究進展進行了分析，并對今后的研究趨勢進行了展望。

1 垂直軸風力機分類及發(fā)展歷程

1.1 風力機及其主要分類

風力機是一種將風的動能轉(zhuǎn)換為機械能，再把機械能轉(zhuǎn)換為電能或熱能等的能量轉(zhuǎn)換裝置。風力機分類方法有很多，最主要的有兩種：按照風力機風輪轉(zhuǎn)軸與地面的位置分為水平軸風力機(HAWT)和垂直軸風力機(VAWT)；按照風力機葉片的工作原理分為升力型風力機(Lift Type)和阻力型風力機(Drag Type)[12]。

水平軸風力機主要代表有螺旋槳型、美式多翼型、荷蘭型和風帆翼型等；垂直軸風力機主要有達里厄型、直線翼垂直軸型、薩渥紐斯型、馬達拉斯型和渦輪型等[12]。圖1給出了風力機主要分類及代表機型示意圖。

圖1 風力機的主要分類及其典型機型[12]Fig.1 The classification of the wind turbine and typical models[12]

1.2 垂直軸風力機發(fā)展歷程

風能利用歷史可以追溯到公元前。公元1300年左右，波斯記載了具有多枚翼板的垂直軸風力機。19世紀末，丹麥首先推出了風力發(fā)電機，開創(chuàng)了風力發(fā)電先河。之后借助飛機機翼理論，水平軸風力機得到快速發(fā)展，逐漸成為了現(xiàn)代大型商業(yè)風力機的主流。相比之下，垂直軸風力機研究起步較晚，研究水平相對滯后。歸納起來，歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過三次發(fā)展高峰期[12-13]。 第一個高峰期出現(xiàn)在20世紀20～30年代，這期間出現(xiàn)了多種類型的垂直軸風力機，主要有薩渥紐斯型、馬達拉斯型和達里厄型。1929年，芬蘭工程師S J Savonius發(fā)明了后來以其名字命名的薩渥紐斯型風力機[13](見圖1)。馬達拉斯型風力機是美國的Julius D Madaras利用馬格納斯效應(yīng)而提出的一種垂直軸風力發(fā)電裝置[13]。達里厄風力機是由法國工程師George Jeans Mary Darrieus在1931年提出的，后來以其名字命名(見圖1)。達里厄當時提出的風力機葉片包括兩種形式：曲線形和直線形。通常所說的達里厄風力機是專指曲線翼型葉片的。而具有直線形葉片的達里厄風力機被稱為“直線翼型達里厄風力機”，如圖2(a)所示。由于對它的研究越來越多，近年來被直接稱為“直線翼垂直軸風力機”，它便是本文的研究對象。另外，根據(jù)直線翼垂直軸風力機的外形特點，有人將其稱為H型風力機(H Type Rotor)，在我國也多被這么稱呼。然而在國際上，H型垂直軸風力機也是一種類型的風力機，通常特指英國在20世紀70～80年代研發(fā)的僅具有2枚直線型葉片的垂直軸風力機，結(jié)構(gòu)外形像英文字母H。由于二者十分類似，故有時將它們統(tǒng)稱為H型風力機。在本文中，為保持與國際一致，采用直線翼垂直軸風力機的叫法[14]。

(a) 直線翼垂直軸風力 (b)H型圖2 直線翼型與H型垂直風力機[12]Fig.2 Straight-bladed VAWT and type H[12]

第二次發(fā)展高峰出現(xiàn)在20世紀70～90年代，這是達里厄風力機的黃金時期。20世紀90年代，隨著水平軸螺旋槳式風力機成為大型商業(yè)風力發(fā)電場的主流機型，以達里厄風力機為代表的大型垂直軸風力機逐漸淡出了人們的視野。然而，在中小型風力機市場上，垂直軸風力機還占有一定的市場，對直線翼垂直軸風力機的研究仍在繼續(xù)。

2000年以來，垂直軸風力機迎來了第三次快速發(fā)展期，以直線翼垂直軸風力機為代表的新型垂直軸風力機的研究重新獲得了歐美和日本等國的關(guān)注，許多形狀各異的中小型垂直軸風力機被成功投入市場，垂直軸風力機正迎來新的發(fā)展機遇。

2 基本理論與研究方法

以達里厄風力機和直線翼垂直軸風力機為代表的升力型垂直軸風力機雖然形狀相對簡單，但由于其旋轉(zhuǎn)起來形成了一個空間，風輪內(nèi)部流動情況非常復雜，因此氣動特性分析與計算相對較難。在其發(fā)展過程中出現(xiàn)了許多方法和理論，圖3給出了一些常見的升力型垂直軸風力機氣動計算和設(shè)計相關(guān)理論[15]，主要包括兩大類：模型法和數(shù)值計算法。模型法利用流體力學(含空氣動力學)的相關(guān)理論，借助水平軸風力機的分析方法，通過提出假定，建立模型的方法來計算，是研究較多、應(yīng)用較廣的方法，主要有三種理論模型：動量模型、渦流模型和葉柵模型，其中前兩種較為常用[15]。數(shù)值計算法雖然是近年來才開始出現(xiàn)的，但發(fā)展很快，現(xiàn)已成為一種主要設(shè)計方法。

圖3 升力型垂直軸風力機基本理論[15]Fig.3 Basic theory of lift type VAWT [15]

2.1 常用基本理論

本節(jié)僅介紹最常用的湍流模型、葉素動量模復合型和流管模型三種理論。

2.1.1 渦流模型

渦流模型是垂直軸風力機氣動特性計算的主要方法。具有代表性的是由Strickland[16]等提出的考慮動態(tài)失速效應(yīng)的三維渦流模型。根據(jù)渦流理論可將風力機單枚葉片看作是沿著翼展方向的一系列要素的集合，葉素可以用束縛渦絲或者升力線來代替，如圖4所示。 根據(jù)Helmholtz渦量理論，束縛渦旋的強度等于翼端的渦旋強度。根據(jù)凱爾文定理，沿翼展方向放出的渦旋等于束縛渦旋的強度變化。脫落渦旋系以當?shù)亓魉僮杂蓪α?，這些渦絲能夠拉伸、平移及旋轉(zhuǎn)，隨時間變化，被稱為自由渦旋。 所有由渦絲產(chǎn)生的誘導速度與未擾動風速疊加便得到流場中任意一點的流動速度，如圖 5所示。

圖4 單葉素的渦絲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of vortex structure for a blade element

圖5 單葉素的渦絲系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of vortex system for a blade element

根據(jù)Biot-Savart公式，當渦絲長度為l， 強度為Γ時，流場中某一點P處的感應(yīng)速度 Vp的計算式如式(1)所示：

(1)

式中：e是 (r×l)方向的單位向量。

采用翼型數(shù)據(jù)或者升力面的表示方法，可用誘導速度確定作用于每段葉片上的升力和阻力。利用Kutta-Joukowski定理可得到束縛渦旋強度ΓB與作用于葉素翼展方向單位長度L上的升力的關(guān)系，升力也可根據(jù)翼型截面升力系數(shù)CL表示。采用這兩種升力的表示方法，可確定特定葉片片段上附著渦強度與誘導速度的關(guān)系，如式2所示。

(2)

式中，c為葉片弦長，Vr為翼型截面的當?shù)叵鄬α魉佟?/p>

2.1.2 葉素動量復合理論

葉素動量復合理論是將葉素理論與動量理論結(jié)合起來，通過葉素附近流動來分析垂直軸風力機葉片的氣動特性。

如圖6(a)所示，與水平軸風力機葉片葉素理論一樣，可將葉片垂直沿展方向分成若干個微段，每個微段稱為一個葉素。假設(shè)每個葉素之間的受力相互獨立，作用于每個葉素上的力只由葉素的翼型升阻特性決定。水平軸風力機的葉素沿展向是不斷變化的，而垂直軸風力機沿展向無變化，因此葉素可以看成一個二維翼型。通過對作用在每個微段上的載荷分析并對其進行沿葉片展向求和，即可得到作用于風輪上

(a) 葉片葉素

(b) 葉片受力

圖6 葉素上的氣動力

Fig.6 Aerodynamic force on the blade element

的推力和轉(zhuǎn)矩。定義風輪葉片是在半徑R處的一個基本單元，其長度為dz，分析其上的受力情況，如圖6(b)所示，圖6中各參數(shù)的定義如表1。

表1 參數(shù)表Table 1 Parameters

根據(jù)圖中所示的速度三角形可以得出葉素的法向速度Wn和切向速度Wt分別為：

(3)

(4)

葉素的合速度W為

(5)

葉片的入流角φ滿足

(6)

根據(jù)二維翼型的氣動特性，葉素上的氣動升力dFL和氣動阻力dFD可分別表示為：

(7)

(8)

根據(jù)圖6(a)所示的幾何關(guān)系，可將葉素上的氣動升力dFL和氣動阻力dFD可分別沿軸心方向(法向)和葉素旋轉(zhuǎn)方向(切向)進行分解，然后分別求解作用在葉素上的法向力dFn和切向力dFt。

dFn=δFLcosφ+δFDsinφ

(9)

dFt=δFLsinφ-δFDcosφ

(10)

式中Cn、Ct分別為法向氣動力系數(shù)和切向氣動力系數(shù)，其表達式為：

(11)

(12)

2.1.3 流管理論

流管理論是建立在葉素動量復合理論的基礎(chǔ)上的。對于垂直軸風力機來說，風輪旋轉(zhuǎn)面與來流平行，也就是說風要流入風輪旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部，因此，除了要考慮葉片處的氣動特性外，還要考慮風速在風輪內(nèi)部的變化情況，這就是升力型垂直軸風力機氣動特性較為復雜的主要原因。研究風穿過垂直軸風力機時流場的主要理論就是流管理論，主要包括單流管模型、多流管模型和雙多流管模型。

2.1.3.1 單流管模型[17]

如圖7所示，該模型假定風力機整體被包含在一個單一流管之中，通過計算風力機在流管內(nèi)的能量收支來獲得風力機的氣動特性。該理論考慮到了翼型失速、葉片幾何形狀、風輪實度及高徑比等的影響。單流管模型的出現(xiàn)對升力型垂直軸風力機的性能分析和計算具有非常重大的意義，為后續(xù)各種流管模型的提出奠定了基礎(chǔ)。

圖7 單流管模型Fig.7 Single streamtube model

2.1.3.2 多流管模型

Wilson和Lissaman[18]提出了多流管模型，如圖8所示。在該模型中，風輪旋轉(zhuǎn)形成的回轉(zhuǎn)體被分割成一系列相互連接的、氣動特性相互獨立的連續(xù)平行流管。再在每一個流管中應(yīng)用葉素動量理論來分析葉片的氣動特性。

圖8 多流管模型Fig.8 Multiple streamtube model

2.1.3.3 雙多流管模型

雙多流管模型是由著名的達里厄垂直軸風力機研究專家、加拿大蒙特利爾工科大學的Ion Paraschivoiu教授在1981年提出的一種理論模型[19]，如圖9所示。該模型在多流管理論的基礎(chǔ)上，又將風輪旋轉(zhuǎn)形成的回轉(zhuǎn)體沿著來流方向分為兩個半圓，每個半圓中的流管分別稱為上流管和下流管。相比前兩種模型，雙多流管模型的計算結(jié)果更接近于試驗，同時對于動態(tài)失速的模擬也有很大改善。但該模型對于具有較大實度的風力機以及在高尖速比情況下的精度有待于提高。

圖9 雙多流管模型Fig.9 Double-multiple streamtube model

2.2 研究方法

對于垂直軸風力機氣動特性的研究手段，除了理論模型分析外，主要還有兩種方式：風洞試驗和數(shù)值模擬[20]。風洞試驗又包括氣動特性和可視化試驗。風洞氣動特性試驗主要用于測試風力機的升阻力特性、扭矩和功率特性等?？梢暬囼炛饕糜讷@得風輪內(nèi)部及周圍流場，分析流動和運轉(zhuǎn)機理。利用數(shù)值模擬既可以計算風力機的氣動特性，又能給出速度、壓力和渦旋等參數(shù)，同時還具有速度較快、成本低等特點，是當前研究垂直軸風力機氣動特性的重要手段。

2.2.1 風洞試驗

獲取風力機氣動特性最直接、最主要的方法就是風洞試驗。通過獲取在不同風況條件下的垂直軸風力機的各項氣動特性參數(shù)，為風力機的設(shè)計、改進和檢驗提供依據(jù)。

2.2.1.1 風洞

適用于風力機氣動特性的低速風洞的種類很多，主要包括回流式和直流式兩種。鑒于風力機工作在野外，開口直流式更接近于風力機實際工作狀態(tài)。如果采用回流式，則要充分考慮風輪在試驗段的阻塞效應(yīng)，風輪掃掠面積與試驗段截面積的比要控制在30%以內(nèi)，否則要對風速分布進行嚴格的修正。風洞的試驗段截面有圓形和矩形的。圓形試驗段較適合于水平軸風力機和達里厄風力機，而對于直線翼垂直軸風力機則矩形試驗段更為適合，如圖10所示。

2.2.1.2 氣動特性測試風洞系統(tǒng)

圖11所示為常用直線翼垂直軸風力機氣動特性測試風洞系統(tǒng)組成示意圖。通常，要將設(shè)計好的直線翼垂直軸風力機進行縮比后制作風輪模型，然后將模型放置于沿風洞出口中心位置下游方向適當位置處。由于垂直軸風力機葉片旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生較大的離心力，有可能會在某一轉(zhuǎn)速下與試驗臺產(chǎn)生共振，因此一定要對風力機模型、試驗臺和地面三者進行牢固連接。測試人員需要在安全區(qū)域進行操作，防止葉片連接不牢飛出發(fā)生事故。

圖10 矩形開口直流風洞舉例Fig.10 Wind tunnel with square section

圖11 垂直軸風力機氣動特性測試風洞系統(tǒng)Fig.11 Wind tunnel experimental system for VAWT

如果要測試葉片的升阻力，需要用測力天平。如果要測試風輪的扭矩，可按圖11所示，將風輪轉(zhuǎn)軸與扭矩儀(帶有轉(zhuǎn)速儀)和帶有制動器的電機連接，測試在不同轉(zhuǎn)速下的風輪扭矩。再利用功率、扭矩和轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系算出風輪的功率。另外，如果要單純測量功率的話，還可直接將風輪與發(fā)電機和負載回路連接，通過改變負載獲得功率曲線。

2.2.1.3 可視化試驗

直線翼垂直軸風力機風輪周圍流場十分復雜，如果能夠獲得清晰的流動狀態(tài)，對揭示風輪工作原理、優(yōu)化設(shè)計風輪結(jié)構(gòu)具有重要意義，而可視化風洞技術(shù)便可實現(xiàn)這一目的。在風洞中安裝流動顯示設(shè)備可以進行可視化，獲得風力機周圍流場的直觀顯示[21]。常用的可視化方法包括：壁面顯示法、絲線法、示蹤法和光學法等。以往常用的是煙線法，通過設(shè)置在風力機上方的高速照相機可以拍攝到煙線繞過風力機時的狀態(tài)，煙線即可代表來流的流跡線。圖12所示為利用煙線法得到的直線翼垂直軸風力機周圍流場照片[22]。

圖12 基于煙線法的直線翼垂直軸風力機周圍流場[22]Fig.12 Flow field around SB-VAWT by smoke wire method [22]

近年來，得益于計算機圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了粒子圖像測速法(PIV，Particle Image Velocimetry)和粒子跟蹤測速法(PTV, Particle Tracking Velocimetry)等可視化方法。PIV結(jié)合了激光技術(shù)、跨幀CCD技術(shù)以及數(shù)字圖像處理等技術(shù)，能夠同時獲得流場中一個面上多點的速度，使得流動測量取得了突破性的進展, 是目前研究風力機流場的較先進可視化手段。由于生產(chǎn)廠家不同，PIV系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢不同，但大體上PIV系統(tǒng)主要由四個部分構(gòu)成(如圖13所示)，即：1.光源(脈沖激光器)；2.攝像頭(專用跨幀CCD 相機)；3.同步控制系統(tǒng)；4.圖象采集和矢量計算(處理軟件)。

圖14所示為利用PIV來測試直線翼垂直軸風力機風輪或葉片周圍的流場的系統(tǒng)舉例。在流場中注入示蹤粒子，在相隔很短的時間間隔內(nèi)，測量示蹤粒子的位移，通過計算機圖像識別技術(shù)，計算出粒子的速度矢量，得到流場中的速度場分布。再通過后續(xù)處理可以獲得其他物理量，如壓力、渦度等，分析風力機的運行原理。

圖13 PIV構(gòu)成系統(tǒng)示意圖Fig.13 Diagram of PIV system

圖14 直線翼垂直軸葉片PIV可視化系統(tǒng)示意圖Fig.14 Diagram of PIV experimental system for SB-VAWT

2.2.2 數(shù)值模擬計算

近年來，得益于計算機技術(shù)的飛速進步，計算流體力學(CFD)發(fā)展快速，計算速度和精度大大提高，計算成本大幅降低。因此，數(shù)值模擬已經(jīng)成為風力機性能研究和設(shè)計的主要手段之一[23-24]。利用數(shù)值模擬來分析風力機的論文非常多，因此本文不再過多介紹數(shù)值模擬的基本原理和理論，僅就計算直線翼垂直軸風力機氣動特性的特點進行說明。

用CFD軟件對直線翼垂直軸風力機進行數(shù)值模擬的過程主要可以分為以下幾個步驟：方案制定、計算模型建立、網(wǎng)格劃分、求解設(shè)置以及后處理。在制定方案時，首先要確定是用二維還是三維進行計算。由于直線翼垂直軸風力機的葉片是直線翼型，沿著翼展方向的截面都是相同的，所以一般情況下可以考慮用二維計算。當需要考慮葉片端面的流動效應(yīng)的時候，則要用三維計算。另外，對于改進的風輪結(jié)構(gòu)，如添加了阻力風輪，安裝了導流裝置，改變了葉片形狀時，也需要考慮用三維計算。然而，三維計算較二維計算工作量大幅提高，而且網(wǎng)格的設(shè)置也變得相對復雜，因此，在精度要求不高時應(yīng)盡量選擇二維計算。

幾何模型的建立主要是指為計算模型建立合適的計算域，計算域過小會導致流體發(fā)展不充分，壁面對風輪周邊流域產(chǎn)生過多干涉，計算精度降低，計算結(jié)果誤差較大；若計算域過大則會導致網(wǎng)格數(shù)量增加，計算量加大，計算周期變長，造成時間和計算機資源的浪費[25]。對于2D和3D計算域的設(shè)置如圖15和圖16所示，合適規(guī)模的計算域既可以保證計算精度，又能夠有效降低計算量。

圖15 2D計算域[26]Fig.15 2D computational domain [26]

圖16 3D計算域[27]Fig.16 3D computational domain [27]

網(wǎng)格劃分時要綜合考慮各種影響數(shù)值計算精度的因素，給定單元類型和網(wǎng)格類型等參數(shù)，注意不同網(wǎng)格單元與不同網(wǎng)格類型相匹配[28]。對于復雜問題，網(wǎng)格劃分不容易一次成功，即使成功，計算結(jié)果也可能有偏差，所以在做仿真之前，需要進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證[26]。圖17和圖18給出了直線翼垂直軸風力機二維以及三維網(wǎng)格示意圖。

在利用數(shù)值計算得到結(jié)果后必須要進行認真的對比分析。比較簡單的是與其他研究者的成果進行對比，有條件的話可以自己進行風洞驗證。無論哪種驗證方法，都需要分析誤差來源，做好計算調(diào)整，保證數(shù)值模擬的精度。

圖17 2D網(wǎng)格示意圖[26]Fig.17 2D mesh discretization [26]

圖18 3D網(wǎng)格示意圖[27]Fig.18 3D mesh discretization [27]

3 直線翼垂直軸風力機氣動特性研究

3.1 概述

圖19所示為一臺典型的直線翼垂直軸風力機發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和組成示意圖。通常，風力機的葉片太少會影響風力機的功率輸出，葉片太多會使各葉片之間產(chǎn)生干涉，也會影響葉片氣動特性。根據(jù)以往的研究結(jié)果，直線翼垂直軸風力機的葉片數(shù)在2～6枚最為適合。

圖19 直線翼垂直軸風力機示意圖Fig.19 Diagram of structure of SB-VAWT

在風力作用下，葉片上產(chǎn)生氣動力，通過橫梁與轉(zhuǎn)軸的連接，形成對轉(zhuǎn)軸的扭矩，使風輪旋轉(zhuǎn)。因此，葉片是直線翼垂直軸風力機的最主要組成部分，對它的研究也最多，其基本參數(shù)包括葉片形狀、葉片翼型、葉片弦長、葉片高度、葉片個數(shù)、葉片安裝角、與轉(zhuǎn)軸連接方式等。與之相關(guān)的主要參數(shù)還有風輪實度(所有葉片總弦長與風輪周長或半徑之比)、風輪高徑比(葉片高度與風輪直徑之比)等。這些參數(shù)只要有一個發(fā)生變化，就會對風力機的氣動特性產(chǎn)生影響，其根源還是參數(shù)變化導致了風輪周圍和內(nèi)部流場的變化。圖20所示為直線翼垂直軸風力機在某轉(zhuǎn)速下的流場計算結(jié)果?？梢钥吹搅鹘?jīng)風輪的流場是很復雜的，而且是隨著旋轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速(尖速比)的改變而變化。當葉片處于大攻角時會出現(xiàn)分離、渦旋，伴隨著能量的損失；當達到一定尖速比時就會產(chǎn)生動態(tài)失速，嚴重影響氣動特性。另外，相比水平軸風力機而言，對于同一股來流，水平軸風力機風輪葉片只切割一次來流產(chǎn)生氣動力。而直線翼垂直軸風力機則不同，當轉(zhuǎn)速很快時，葉片要多次與來流作用，因此其工作原理和運動分析相對來說較水平軸風力機復雜，這是其發(fā)展相對滯后的主要根源，也是如前所述出現(xiàn)較多分析理論和模型的原因。

但經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)基本掌握了該種風力機的一般特性和一些參數(shù)對其氣動特性的影響規(guī)律[29-34]。圖21給出了一例實度對其輸出功率影響的計算結(jié)果?？梢钥吹剑瑢嵍葘︼L力機氣動特性影響很大，實度越小的風力機可以獲得越快的轉(zhuǎn)速，但實度太小或太大都會使功率系數(shù)降低。并且我們可以從圖中可以發(fā)現(xiàn)兩個關(guān)于直線翼垂直軸風力機氣動特性的重要特征。一是目前來看直線翼垂直軸風力機的最大功率系數(shù)相比水平軸風力機來說還相對較低，對于大型直線翼垂直風力機，計算結(jié)果顯示其最大功率系數(shù)可達到0.4～0.5，但結(jié)果顯示通常在0.4以內(nèi)。對于中小型風力機，由于風輪掃掠面積小，風能利用系數(shù)一般在0.25～0.4之間。各國的研究者給出的結(jié)果差別很大，其原因主要是小型風力機非常容易受到機械、機電、控制等因素影響，而計算往往忽略掉了這些。二是在尖速比在0～1之間，直線翼垂直軸風力機的功率系數(shù)非常小，幾乎為0。第一個特征說明該種風力機在高尖速比下的輸出特性有待進一步提高才能與水平軸風力機競爭。而第二個特征則說明該種風力機的起動特性不夠理想，在尖速比1以下很難維持有效的轉(zhuǎn)動，隨時都可能停機。因此，絕大多數(shù)的研究都是圍繞解決這兩個問題而進行的。歸納一下，我們認為研究主要從兩個方面開展——葉片翼型優(yōu)化與風輪結(jié)構(gòu)改進。下面主要介紹這兩個方向的研究進展。

圖20 葉片周圍流場Fig.20 Flow field around rotor

3.2 直線翼垂直軸風力機葉片翼型研究

在研究的初期，沒有專門針對直線翼垂直軸風力機的葉片翼型，而是直接在已有的水平軸風力機葉片翼型族中挑選使用。最常用的，同時也是被證明最有效的翼型之一是NACA的4位數(shù)系列對稱翼型，如NACA0015和NACA0018，至今這兩個翼型仍然是許多研究者的首選。應(yīng)用這些翼型能夠使直線翼垂直軸風力機獲得較高的輸出功率系數(shù)，但起動特性并非十分理想。后來一些非對稱翼型也被應(yīng)用到該種風力機葉片上，如NACA的5位數(shù)系列非對稱翼型，水平軸風力機常用的S809翼型、 FX系列翼型等，但嚴格來說這些翼型都不是專門針對直線翼垂直軸風力機而開發(fā)的。真正用于直線翼垂直軸風力機翼型的代表是由原日本東海大學的Seki教授歷經(jīng)30多年開發(fā)的TWT系列翼型[14, 35]，如圖22所示為其中的一例代表。采用這些翼型的直線翼垂直軸風力機產(chǎn)品具有較高的輸出功率特性，被大量安裝在日本各地，對該種風力機的推廣和發(fā)展起到了重要的推動作用。

(a) TWT翼型[14]

(b) 采用TWT翼型風力機性能舉例[35]圖22 日本東海大學開發(fā)的TWT翼型及性能[35]Fig.22 TWT airfoil and its power performance by Tokai University of Japan [35]

另外,還有一些研究者以NACA系列翼型等為基礎(chǔ)，應(yīng)用一些變換理論，對這些翼型進行變形處理，使之更適合于直線翼垂直軸風力機。2011年，曲建俊等基于復合形法進行了直線翼垂直軸風力機翼型優(yōu)化設(shè)計，獲得了一些較好的翼型[36]。在2010和2013年，陳進等[37-38]提出了基于多目標遺傳算法優(yōu)化得到的風力機專用翼型 WT180。優(yōu)化改進后的新翼型在升力系數(shù)、升阻比、粗糙度敏感性等方面有明顯優(yōu)于原翼型；新翼型對前緣粗糙條件不敏感，同時還具有良好的失速特性。計算分析表明該翼型在設(shè)計及非設(shè)計工況都具有良好的氣動性能。2014年，Carlos Sim?o[39]等利用遺傳優(yōu)化算法，對厚翼型的氣動特性進行優(yōu)化，使風輪的轉(zhuǎn)動質(zhì)量有所減少，在不影響氣動性的情況下，起到了優(yōu)化風力機結(jié)構(gòu)的效果。

可以說，大多數(shù)專用翼型研究開發(fā)的主要目的是提高風力機的輸出功率特性，也就是功率系數(shù)，使之能達到水平軸風力機的水平。然而，近年來出現(xiàn)了一些翼型改進是為了提高風力機的起動特性的，這些研究主要是對翼型進行大幅度的變形，使之具備一定的阻力外形，從而增加低風速和低轉(zhuǎn)速下的起動性能。例如，2007 年野口常夫[40]研究了在高升力型翼型后緣切成缺部，利用切缺部產(chǎn)生阻力從而起動風力機，如圖 23所示。但利用這種方式形成的風阻部體積太小，所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也有限，對自起動性能提升的效果并不十分顯著。同年，橫井正[41]研究了在葉片上安裝受彈簧控制的受風板，形成阻力型風力機， 提高了升力型風力機的起動特性。增大風力機的逆向轉(zhuǎn)矩。如圖 24所示。

圖23 帶有切缺部的高升力翼型[40]Fig.23 Airfoil with cutting portion [40]

圖24 帶有受彈簧控制受風板的翼型[41]Fig.24 Airfoil with wind screen controlled by spring [41]

2008年崔美娟等[42]研究在翼型前緣側(cè)面加工凹進擋風部，通過阻力獲得轉(zhuǎn)動力矩改進翼型起動特性，如圖25所示。2010年，曲建俊等[43]提出了在直線翼垂直軸風力機葉片上加裝襟翼(如圖26所示)的方案，在一定程度上增大了翼型的雷諾數(shù)和升力，同時也增大了翼型的彎度，改善了流體流過翼型表面的壓力差，在一定程度上提高了風力機的起動性能。同年，曲建俊等[44]等研究了一種基于活固葉片的升阻復合型垂直軸風力機(VAWT-SWS)，特征在于每個葉片都由活動葉片和固定葉片組成。圖27為3葉片VAWT-SWS與3 葉片 Darrieus 風力機的靜態(tài)自起動性能比較，改善后的風力機性能較原始的Darrieus 風力機有顯著提高。

圖25 帶有擋風部的翼型[42]Fig.25 Airfoil with windshield department [42]

圖26 垂直軸風力機葉片襟翼[43]Fig.26 The blade with flap wing of straight-bladed vertical axis wind turbine [43]

圖27 VAWT-SWS風力機與達里厄風力機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)Fig.27 Static torque coefficient of VAWT-SWS and Darrieus rotor

近幾年，又出現(xiàn)了一種改進直線翼垂直軸風力機氣動特性的新思路。這種方法不是直接對翼型和葉片本體進行改變，而是在葉片翼型周圍，主要是前緣和尾緣附近添加一些諸如圓柱、小翼等，用來改變?nèi)~片的入流方式和尾流流動，從而改善翼型的氣動特性。例如，2015年，陳珺等[45]在直線翼垂直軸風力機葉片的前緣加裝微小圓柱(如圖28)。其主要原理是通過抑制翼型上的流動分離的方式，使升力型垂直軸風力機的風能利用率在低尖速比下有一定提高。圖29為在不同尖速比下前緣設(shè)置微小圓柱與未設(shè)置微小圓柱的功率系數(shù)變化示意圖。

2016年，趙振宙等[46]進行了基于擾流技術(shù)的直線翼垂直軸風輪葉片性能改善數(shù)值模擬研究，提出了采用擾流方法來解決因局部方位角的葉片攻角極小而導致整體風輪性能較低的問題。如圖30研究結(jié)果所示，適當增大0°和180°處的擾流角可以提高風輪性能，擾流角增加相同幅度，上盤面的轉(zhuǎn)矩的提高幅度更大。

圖28 葉片前緣前設(shè)置微小圓柱示意圖Fig.28 Schematic of micro-cylinder in front of blade leading edge

圖29 加裝小圓柱前后風力機CpFig.29 Cp of VAWT with and without micro-cylinder

同年，李巖等[47]在葉片后部加設(shè)了輔助小翼用來改善葉片尾流流場，利用數(shù)值計算研究了小翼的主要參數(shù)對風力機起動性能和輸出功率特性的影響，如圖31所示，適當?shù)男∫頃︼L力機氣動特性改善有一定的效果。然而，這種方法與思路目前仍在探索中，需要深入系統(tǒng)地研究來完善。

(a) 具有輔助小翼的風力機

(b) 具有輔助小翼的風力機功率系數(shù)圖31 葉片后加小翼風力機Fig.31 Wind turbine with auxiliary blade

3.3 直線翼垂直軸風機風輪結(jié)構(gòu)改進研究

在研究初期，直線翼垂直軸風力機的風輪分為定槳距和變槳距兩種。變槳距風輪葉片槳距可隨著轉(zhuǎn)動角度變化而變化，雖對風力機的起動性能和功率輸出有一定的改善，但并不顯著，同時使整機結(jié)構(gòu)變得過于復雜，因此近年來的研究主要集中在定槳距類型上。

除了上述利用葉片與翼型優(yōu)化來提高氣動特性外，近年來研究最多的便是利用在風輪內(nèi)、外添加一些輔助機構(gòu)來改善直線翼垂直軸風力機的性能。輔助機構(gòu)主要有兩類：一類是能夠起到聚風、導流、增速等作用的裝置；另一類是具有阻力型垂直軸風機特征的阻力風輪結(jié)構(gòu)。這兩類輔助裝置有些主要是用來提高起動性能的，有些主要是增加輸出功率的。通過參數(shù)優(yōu)化，有些輔助裝置對風力機的整體氣動特性都會起到一定的改善作用。因此，當前對新型輔助裝置的研究成為了改善直線翼垂直軸風機氣動特性的重要內(nèi)容之一，而且相對新型翼型的開發(fā)來說要相對容易開展研究和達到技術(shù)實現(xiàn)。

將直線翼垂直軸風力機與具有很好起動性能的阻力型風力機—Savonius風輪結(jié)合起來提高其起動性能是最典型、也是被研究最多的風輪結(jié)構(gòu)改進手段。這種方法最早被應(yīng)用到達里厄風力機起動性的提高上。如圖32所示，2005年，日本學者Wakui Tetsuya等[48]利用仿真模擬的方法討論了Savonius風力機與達里厄風力機的組合結(jié)構(gòu)，采用了兩種類型的結(jié)構(gòu)，類型 A 將 Savonius 風力機安裝在 Darrieus 風力機內(nèi)部，類型 B 將 Savonius 風力機安裝在 Darrieus風力機外部。這兩種方式都對達里厄風力機的起動性有很好的改善作用。

(a) 類型A (b)類型B圖32 兩種類型的Savonius-Darrieus型風力機[48]Fig.32 General view of the types of hybrid configurations [48]

同樣，將這種方法可以直接應(yīng)用到直線翼垂直軸風力機上，無疑對其起動性的改善會有很好效果。然而，這種組合方式存在一個最主要的問題，如果結(jié)合參數(shù)不佳，會嚴重降低直線翼垂直軸風力機的輸出功率系數(shù)。因為，Savonius風力機是阻力型，轉(zhuǎn)速很低。二者結(jié)合后，雖然在起動階段Savonius風力機發(fā)揮了作用，但當轉(zhuǎn)速逐漸提高到一定程度后，Savonius風輪便會阻礙直線翼垂直軸風力機的氣動特性發(fā)揮。也就是說，Savonius風力機從某種意義上成為了直線翼垂直軸風力機的一個負載，而且負載量隨著轉(zhuǎn)速增大而不斷增大。因此，這一問題成為了該種結(jié)合方法發(fā)展的一個最大障礙。2011年，寇薇等[49]提出了一種方法，如圖33所示，在直線翼垂直軸風力機與Savonius風輪之間安裝了一個超越離合器，在起動和低速轉(zhuǎn)動階段，超越離合器連接，發(fā)揮Savonius風輪的作用。當轉(zhuǎn)速提高到一定值后，超越離合器分開，使直線翼垂直軸風力機自行運轉(zhuǎn)，發(fā)揮其好的氣動特性。這無疑是一個非常巧妙的辦法，但我們并沒有找到后續(xù)的研究。主要原因是由于自然界風速變化很大，超越離合器與之相應(yīng)而要頻繁地動作，這在實際應(yīng)用中是很難實現(xiàn)的。

圖33 帶有超越離合器的組合型風力機[49]Fig.33 Combined wind turbine with overrunning clutch [49]

為此，研究二者結(jié)合的結(jié)構(gòu)參數(shù)是關(guān)鍵問題。2013 年李巖等[50]通過風洞試驗研究了二者結(jié)合的一些主要參數(shù)如結(jié)合角度、直徑比等， 獲得了一定的規(guī)律，為組合法垂直軸風力機的后續(xù)發(fā)展提供了研究基礎(chǔ)。

除此之外，李巖等在2015年設(shè)計了一種雙層柔性可伸縮式直線翼垂直軸風力機[51]，如圖34所示。在起動階段，柔性輔助葉片展開，增加起動力矩，風力機在進入高轉(zhuǎn)速后，柔性輔助葉片在離心力的作用下縮回副葉片內(nèi)部使風力機轉(zhuǎn)變成為具有雙層葉片的直線翼垂直軸風力機。該種方法與使用超越離合器的方法屬于同一個思路，即通過一些機構(gòu)使阻力風輪在高尖速比下失去作用來確保直線翼垂直軸風力機的氣動特性優(yōu)勢得以發(fā)揮。然而，這種方法與結(jié)構(gòu)還需要更進一步的研究。

(a) 低轉(zhuǎn)速下 (b)高轉(zhuǎn)速下 (c)樣機照片圖34 風力機三維結(jié)構(gòu)圖[51]Fig.34 Wind turbine three-dimensional structure [51]

在直線翼垂直軸風力機的周圍安裝導流和聚風裝置也是一種很早就被應(yīng)用的方法，研究得也較多、較廣泛。這種方法最初是用在阻力型垂直軸風力機上的，用來提高其輸出功率特性。其實，在水平軸風力機上也有采用這種方法的，如日本九州大學的大屋教授[52]提出了如圖35所示結(jié)構(gòu)，有很好的聚風效果，這種風力機在日本也得到了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2012年，姬俊峰等[53]提出了一種遮蔽-增速升力型垂直軸風力機，如圖36所示，沿著來流方向在直線翼垂直軸風力機風輪的外圍設(shè)置了導流板，具有導流和增加風速的作用。結(jié)果表明，通過設(shè)置導流板的確提高了風力機的效率和起動性。

2013年，W T Chong[54]提出了一種全方向?qū)~式風力機，如圖37所示，結(jié)果顯示風力機的整體風能利用效率有一定改善。

同年，趙振宙[55]等也提出了一種導葉式直線翼垂直軸風力機，如圖38所示，沿著來流方向在直線翼垂直軸風力機風輪周圍設(shè)置了具有導流和增速作用的導流板，研究結(jié)果表明這些導葉對風力機的起動性有一定的改善。

圖35 聚風裝置原理圖[52]Fig.35 Schematic of device gathering wind [52]

(a) 遮蔽-增速升力型垂直軸風力機

(b) 直線翼垂直軸風力機

(c) 有遮蔽增速直線翼垂直軸風力機圖36 遮蔽-增速升力型垂直軸風力機功率模擬[53]Fig.36 Power simulation for VAWT with and without wind shield-growth patterns [53]

圖37 全方向集風升力型風力機[54]Fig.37 Novel omni-direction-guide-vane lift wind turbine[54]

(a) 導葉式直線翼垂直軸風力機

(b) 兩種風力機轉(zhuǎn)矩[55]圖38 導葉式直線翼垂直軸風力機Fig.38 SB-VAWT with guide vanes [55]

上述幾項研究提出的導流和聚風裝置有一個共同特點就是，它們都是沿著來流方向安裝在直線翼垂直軸風力機風輪的周圍。2016年，李巖[56]等提出了另外一種圓臺型聚風裝置，如圖39所示，是將其安裝在風輪的上下。計算結(jié)果驗證了該裝置的有效性，起動力矩有了很大的改善，低風速下的功率特性也得到了提升，但聚風裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如最佳的圓臺外形曲線等，仍需進一步研究。

3.4 其它

隨著風能利用越來越受到重視，對直線翼垂直軸風機的研究越來越多，改善其氣動特性的新方法和新技術(shù)也不斷出現(xiàn)。但鑒于有些方法還正處于探索階段，本文不做詳細介紹。同時，隨著直線翼垂直軸風力機的應(yīng)用范圍越來越廣，針對一些特殊用途的研究也受到了關(guān)注。如應(yīng)用在寒冷地區(qū)時，低溫、積雪和結(jié)冰問題尤為突出，因此研究應(yīng)用于風機的結(jié)冰預警、防/除冰技術(shù)受到了關(guān)注[57]。對于安裝在干旱和沙漠地區(qū)時，風沙侵蝕則變成了主要問題，風輪與機艙的防風沙問題研究隨之而來。隨著海上風電的日益興起，歐洲一些國家開始嘗試建立采用直線翼垂直軸風力機的海上風電場，提出了一些新型的機型與結(jié)構(gòu)，使之更適合于海上的風況條件。而在廣大農(nóng)牧區(qū)，直線翼垂直軸風力機可以作為當?shù)氐闹饕茉垂┙o設(shè)施，組成風光互補系統(tǒng)、風光柴綜合利用系統(tǒng)，以及“風-光-沼”可再生能源綜合利用系統(tǒng)，不僅可以用來發(fā)電，還可以進行制熱供暖、提水灌溉、農(nóng)產(chǎn)品干燥、漁業(yè)養(yǎng)殖、有機廢棄物處理、海水淡化制水等。這些新技術(shù)、新方式、新用途的出現(xiàn)，為直線翼垂直軸風力機的發(fā)展提供了前所未有的廣闊空間。

(a) 具有圓臺型聚風裝置的垂直軸風力機

(b) 有無聚風罩風力機起動力矩圖39 圓臺型聚風型垂直軸風力機[56]Fig.39 SB-VAWT with truncated cone-shaped wind guide device [56]

4 總結(jié)與展望

當前，直線翼垂直軸風力機仍處于發(fā)展階段，氣動特性的改善仍是研究的核心問題。歸納起來：

1) 用于直線翼垂直軸風力機氣動分析的理論框架已基本建立，能夠較好地進行風力機氣動設(shè)計與分析，但熟練掌握這些理論需要堅實的理論功底，對研究者要求較高。

2) 采用數(shù)值模擬的方法可以在一定程度上計算和分析直線翼垂直軸風力機的氣動特性，具有相對簡單、成本低、時間短的特點，是當前的重要研究手段?？捎么朔椒ㄟM行風力機的初步設(shè)計，如多參數(shù)優(yōu)化，探尋趨勢研究。但一定要做好對比驗證研究。

3) 風洞試驗仍是直線翼垂直軸風機的重要研究手段，可通過氣動測量與可視化觀測獲取風力機的重要氣動特性和流動機理。但該方法成本較高、設(shè)計制作周期長、對研究者技能要求高?？煽紤]用與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，互補研究。

4) 低風速下起動性與高轉(zhuǎn)速下輸出特性仍是當前直線翼垂直軸風力機氣動特性的兩個主要問題。雖然各國研究者進行了大量的工作和探索，仍需要進一步完善解決。葉片翼型優(yōu)化與風輪結(jié)構(gòu)改進是兩個主要研究方向。隨著研究的不斷深入，葉片翼型優(yōu)化更趨向于對葉片周圍流動的控制，而風輪結(jié)構(gòu)改進則更朝著起動性與輸出特性同時提高的目標進行，風力機結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與細化并行推進，同時新結(jié)構(gòu)也不斷出現(xiàn)。

展望未來幾年，隨著研究的不斷深入與應(yīng)用的快速推進，滿足特殊需求與用途的直線翼垂直軸風力機會有很大的市場。大型化發(fā)展是直線翼垂直軸風力機應(yīng)用的一個突破目標，兆瓦級別風力機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，風輪振動控制與強度提高將成為研究重點。同時，適用于海上風電的新型垂直軸風力機及其系統(tǒng)，面向特殊地區(qū)和特殊用途的基于直線翼垂直軸風力機的多能綜合利用系統(tǒng)的研究將是具有廣闊前景的發(fā)展方向。

最后，限于作者水平，資料搜集并不全面，文中亦會存在不妥與未完善之處，某些觀點也僅為依據(jù)作者視角而出。發(fā)文目的旨在拋磚引玉，促進直線翼垂直軸風力機研究，助力我國風能事業(yè)發(fā)展！

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A review on aerodynamic characteristics of straight-bladed vertical axis wind turbine

LI Yan1,2,*, ZHENG Yufang1, ZHAO Shouyang1, FENG Fang3,2,LI Jianye1, WANG Nongxiang1, BAI Rongbin1

(1.EngineeringCollege,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;2.HeilongjiangProvincialKeyLaboratoryofTechnologyandEquipmentforUtilizationofAgriculturalRenewableResourcesinColdRegion,Harbin150030,China;3.CollegeofScience,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Straight-bladed vertical axis wind turbine (SB-VAWT) is typical representative of lift type vertical axis wind turbine at present.It has been received more and more attentions in small and medium scale wind energy utilization field due to the advantages of wind direction independence, simple structure, and unique shape.However, there are still some problems need to be studied because of its complex aerodynamic characteristics and relatively short studied time.The SB-VAWT has a broad development space.In this paper, the researches on aerodynamic characteristics of the SB-VAWT were discussed.Firstly, the brief history of the VAWT and its research status were reviewed.Then, we introduced the main principle, aerodynamic characteristics analysis theory, and common research methods.Especially, the research progress was analysed and summarized on how to improve its starting performance at low wind speed and aerodynamic output characteristics at high rotational speed.The future research trend was also prospected.

straight-bladed vertical axis wind turbine; aerodynamic characteristics; research methods; blade airfoil; rotor structure; research progress

0258-1825(2017)03-0368-16

2016-12-18;

2017-02-17

國家自然科學基金(51576037); 黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(12541012)

李巖*(1972-),男,黑龍江賓縣人,教授,研究方向:風能及可再生能源綜合利用.E-mail:liyanneau@163.com

李巖, 鄭玉芳, 趙守陽, 等.直線翼垂直軸風力機氣動特性研究綜述[J].空氣動力學學報, 2017, 35(3): 368-382, 398.

10.7638/kqdlxxb-2016.0189 LI Y, ZHENG Y F, ZHAO S Y, et al.A review on aerodynamic characteristics of straight-bladed vertical axis wind turbine[J].Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(3): 368-382, 398.

TM315

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0189