为提高H型垂直轴风力机的气动性能,提出在风力机外部加装聚风挡板的设计方法。首先利用Fluent软件对垂直轴风力机进行流体力学仿真,再采用正交试验设计法,研究聚风挡板的长度、水平布置距离、垂直布置距离和偏转角这4个设计参数对风力机性能的影响,按各参数影响从小到大依次计算。研究结果表明当聚风挡板的水平布置距离为R,垂直布置距离为2.5R,长度为0.9H(H为风轮高度)和偏转角为25°时,风力机风能利用率最大,其风能利用率相比于原型风力机提高了5.46%;聚风挡板能够有效增大风力机运转区域内部的流场速度,并明显缩短风力机速度较低的尾迹区,进而增大叶片内外表面压力差,也能够在对主轴合成力影响较小的前提下,提升叶片的力矩系数和风力机的风能利用率。

为延迟翼型附面层分离,提高翼型的气动性能,针对一种垂直轴风力机对称翼型NACA0012,提出3种弧形开缝方案和3种弧形与直线形相组合的开缝方案。针对常规翼型建立仿真模型并验证网格无关性,得到最佳网格数目为4.6×10^4个。利用ANYSYFLUENT软件对翼型进行二维流体力学仿真,求得其临界攻角下翼型的压力系数分布,得出最佳的开缝位置为1/8c;以获得最大升阻比为目标函数,得到最佳的弧形半径为8%c;提出采用直线与弧形相组合的开缝方案,解决弧形翼缝迎风端与来流风速方向之间不匹配问题。研究结果表明:当叶尖速比λ超过3.5时,T-line-arc为最佳开缝方案;当叶尖速比λ小于3.5时,T-line为最佳开缝方案;当λ为2.0时,采用对称开缝翼型,叶片失速区范围下降61.5%。