在阅读此文之前，麻烦您点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持！文|多芬奇可再生能源对于满足不断增长的能源需求同时减少环境中的污染物变得越来越重要。
在目前的市场中，风力涡轮机由于尺寸大、噪音产生和物理外观而主要限于农村使用。
风力涡轮机具有在一天中的任何时间运行的能力。
水平轴风力涡轮机仍然是使用最广泛的，但垂直轴风力涡轮机有很大的改进空间。
对能源和绿色工程的需求不断增加，导致太阳能、风能和水力发电等可再生能源的产生量增加。
虽然太阳能目前是最商业化使用的，但风能在提高效率和功率输出方面具有巨大的潜力。
风力涡轮机分为两大类垂直轴风力涡轮机（VAWTS）和水平轴风力涡轮机（HAWTS）。
根据定义，VAWTS围绕垂直于气流的轴旋转。
同样，HAWTS围绕与空气流动水平的轴旋转。
VAWTS分为两种类型：提升驱动和阻力驱动。
顾名思义，升力驱动的 VAWTS 由于流过叶片的空气产生的升力而旋转。
升降机驱动的VAWTS有时被称为Darrieus风力涡轮机，因为它是最著名的电梯驱动涡轮机，但其他电梯驱动的风力涡轮机确实存在并用于研究和能源生产。
拖曳驱动的VAWTS通常被称为Savonius风力涡轮机，这是最常见的阻力驱动VAWT。
虽然这些类型的涡轮机存在不同形状的叶片，但它们都遵循相同的刮风理念。
两种类型的暴力侵害妇女行为的例子如下图所示。
与 VAWTS 不同，HAWTS 通常不会进一步分类，因为它们都以相同的方式驱动。
虽然 HAWTS 中存在许多变化，从叶片形状到轴线形成，但不足以创建子类别。
VAWTS和HAWTS的图片为了提高VAWTS的效率，研究了几种生物现象并将其应用于小型VAWT。
研究的第一个生物学因素是枫树和三叶草种子的提升生成. 已经表明，种子产生稳定的前缘涡流（LEV），在下降时增加升力（Lentink等人，2009）。
虽然风力涡轮机不会下降，但人们认为模仿种子机翼部分的几何形状并将其转换为叶片将增加VAWT产生的升力，从而提高效率。
还表明，在机翼底部附近产生的 LEV 依赖于机翼的几何形状、雷诺数和迎角。
生成 LEV 的缺点是增加阻力。
通过改变迎角，种子自然会最大化升阻比。
除非涡轮机过于复杂，否则无法进行自动调整。
因此，研究并应用了落粒的迎角和俯仰模式。
优化升阻比的进一步测试将通过物理测试和计算分析来完成。
枫树种子（左）和三叶草种子（右）)尽管可以优化升阻比，但LEV产生的阻力增加会导致效率损失。
研究并应用于有限元分析模拟的第二个生物学方面是鲸鱼结节的结构分析. 更具体地说，所观察的结节与座头鲸鳍状肢前缘的结节相似。
结核是大型圆形生长物，通过提高性能来提高座头鲸的机动和捕获猎物的能力。
性能的提高是由最大升力的增加和阻力的减少引起的。
鲸鱼结节从理论上讲，增加的升程将进一步提高最大功率输出，减少阻力将提高效率。
很难生成结节的几何形状，因为它们的形状不一致，并且因鲸鱼而异。
因此，创造了一种图案来最好地模仿座头鲸的结节。
技术方法/方法生成有限元分析模型所有模拟工作均使用ABAQUS CAE软件完成。
在进行有限元分析仿真之前，应设计涡轮叶片的尺寸和几何形状。
虽然涡轮轴不如叶片设计重要，但仍然需要有效地设计，以减少使涡轮机旋转所需的力，但又足够坚固以承受大风。
还考虑了所需应用所需的尺寸。
如前所述，该项目将设计一种小规模的VAWT，设计用于城市环境，例如为桥梁和路灯上的传感器供电。
话虽如此，设计的涡轮机高度约为30厘米，叶片长度约为16厘米。
此外，最初的原型希望通过3D打印由塑料制成。
3D打印过程可以轻松创建原型;然而，层的厚度成为一个问题。
在创建有限元分析模型时，考虑了未来的物理测试，以确保可以高度置信地比较值。
特别是，实验转子的尺寸受到风洞试验箱尺寸的限制。
尺寸限制中考虑的参数是叶片尖端与壁之间的距离以及隧道中叶片的高度。
根据雷诺数条件，风洞数据可以适当缩放，用于未来大型风力涡轮机的FEA模型。
在确定 NACA 0012 翼型是所选设计的最佳选择之前，对几种不同的翼型进行了测试. 虽然 NACA 0012 翼型没有最高的升力系数，但它在结构上优于其他选项，在等效压力载荷下的偏转减少了约 60%。
选择所需的翼型后，生成不同的叶片类型。
3D 打印翼型和 NACA 0012 叶片横截面有限元分析仿真分为九组，以验证叶片几何形状的结果和影响。
组为正常叶片、延伸正常、枫籽形状、三叶蝾螈种子形、结节正常、结节延伸正常、枫籽结节、三叶苜蓿前缘有结节、三叶苜蓉后缘有结节。
普通叶片是具有恒定横截面宽度的直叶片。
扩展的普通刀片的设计与普通刀片相似，唯一的区别是刀片的长度。
叶片长度延长至叶片下半部分与枫树种子叶片具有相同的表面积，以比较相同压力应用在同一面积上的结构完整性。
枫树种子叶片的设计旨在尽可能接近枫树种子的几何形状，以产生前沿涡流并增加风力涡轮机的升力。
枫树种子的横截面难以生成，在高风速下不可靠。
鉴于风力涡轮机是升力驱动的，使用翼型被确定为最佳选择。
三叶草叶片的设计方式与枫树种子叶片相似。
在生成前四种叶片类型后，将结节添加到每个叶片中。
添加结节以增加升力并减少阻力，同时不牺牲结构完整性。
除了结节外，每个叶片都设置为0°和7°的迎角，以及0°和23°整个叶片的两个俯仰角. 选择两个迎角以在零处创建基线，并在 7° 角 （Airfoiltools.com 处创建最大升力系数。
2016）. 虽然0°俯仰角被选为未来升力产生研究的基线，但它也可用于确定俯仰角是否影响结构完整性。
然而，根据以前的研究选择了 23° 的第二个俯仰角，以匹配枫树种子自由下落和旋转时的俯仰。
枫叶涡轮机设置三叶草叶片设计为每个叶片设计有不同的扭转角度。
这些角度设置为 0、7、12 和 15°。
出于这部分研究的目的，选择角度以显示位移和应力的变化（如果有的话）。
这些角度也被选择用于未来的工作和确定升力生成和流体流动模式。
有限元分析模拟和结果考虑并研究了FEA测试的几种加载设置，以确定提升驱动的VAWT将承受的负载。
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