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系統識別號 U0026-2008201521474500
論文名稱(中文) 利用田口法探討雙顆垂直軸風機之排列
論文名稱(英文) Investigation of Two Vertical- Axis Wind Turbines Arrangement Using A Taguchi Method
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系
系所名稱(英) Department of Aeronautics & Astronautics
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生(中文) 黃俊諺
研究生(英文) Chun-Yen Huang
電子信箱 jameshuang1115@hotmail.com
學號 p46021445
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 104頁
口試委員 指導教授-黃啟鐘
口試委員-陳維新
口試委員-尤芳忞
中文關鍵字 垂直軸風機陣列  交互作用  田口方法  功率係數  分離渦漩模型 
英文關鍵字 VAWT arrays  Interaction  Power coefficient  Taguchi method 
學科別分類
中文摘要 近年來由於能源危機之問題,再生能源發展與研究日趨重要,本論文是利用田口法探討雙顆垂直軸風機之排列(Vertical Axis Wind Turbine, VAWT),使用商業套裝軟體FLUENT進行模擬。影響風機的功率係數像是尖端速度比λ(Tip speed ratio)、風機的夾角、風機轉軸角度位置、兩顆風機間距、兩顆風機的旋轉方向…等原因,因此利用田口法中田口式參數設計法,經由直交表找出優化雙顆風機排列之組合,使風機之性能有所提升。在此計算中利用SIMPLEC/QUICK之數值方法、k-ε紊流模型與分離渦流模擬法DES(Detached Eddy Simulation)在四邊形/三角形網格上求解非穩態不可壓縮納維史托克方程式(Navier-Stokes Equation)。首先對翼型為NACA0015單顆與雙顆進行風機流場模擬計算,其次利用田口法之參數設計選擇五種控制因子,每個因子四種水準之組合,組成L16直交表,使用商業套裝軟體FLUENT進行模擬。田口法找出優化參數組合為: 夾角β=120°、尖端速度比λ=2、間距=1.5D、風機旋轉方向:第一顆風機順時針旋轉和第二顆風機為逆時針旋轉、第二顆風機轉軸角度位置 =0°,模擬出來第一顆風機的功率係數為0.533586和第二顆的功率係數為0.479142,雙顆風機的平均值為0.506364。透過田口法可以優化雙顆直立葉片式垂直軸風機的功率係數,使雙顆風機的平均功率能夠提升。在直交表中,分別計算16組模擬的S/ N比,將數值轉成因子反應表。而因子反應表中每個因子最大水準的值減最小水準的值可得Effect,Effect越大代表此因子效應對風機的功率係數影響越大,Effect由大到小的排列順序分別為:尖端速度比λ>角度β >風機旋轉方向>間距d >風機轉軸角度位置θ。最後隨機抽樣4組實驗與優化組合比較,結果顯示優化後的功率係數最好。
英文摘要 Due to the worldwide energy crisis, renewable energy development has become more important recently. Computational studies have shown a significant importance to carry out the research with large number of parameters .The purpose of the study is using the Taguchi method to approach the optimum power coefficient of straight-bladed vertical axis wind turbines (SB-VAWT). Straight-Bladed Vertical Axis Wind Turbines consist of three NACA0015 profile blades, chord length of 0.4m, the radius of wind turbine is 1.25m. The commercial CFD software FLUENT 14.0 is used for the numerical simulation. The SIMPLEC/QUICK method, SST k-ω and Detached Eddy Simulation models are adopted to solve unsteady two dimensional incompressible Navier-Stokes Equation on the quadrilateral/triangular meshes. The performance of vertical axis wind turbines is adopted as power coefficient. In Taguchi method, the influences of five parameters, namely, TSR(tip speed ratio ), the rotor angle , azimuthal angle , rotation direction ,and turbine spacing are chosen. The analysis of the signal-to-noise ratio suggests that the TSR is the most important factor in determining the performance and the TSR is 2 .The performance is also significantly affected by rotor angle, where a rotor angle is 120°. Rotation direction for one turbine is clockwise,and two turbine is counter-clockwise. According to Taguchi method recommended operating conditions, the numerical results show that the average power coefficient of two vertical axis wind turbine can be improved.
論文目次 目錄
摘要 I
Abstract III
誌謝 IX
目錄 X
表目錄 XIV
圖目錄 XVI
主要符號說明 XVIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 動機與目的 3
1-3 文獻回顧 6
1-4 基礎理論 10
1-4-1 Betz極限 10
1-4-2 座標系統 11
1-5 研究內容 15
1-6 論文架構 16
第二章 數值方法與數學模型 17
2-1 數值方法 18
2-1-1 統御方程式 18
2-1-2 SIMPLEC演算法 19
2-1-3 QUICK法 23
2-2 DES模型 24
2-3 田口方法 25
2-3-1 田口式實驗設計法 26
2-3-2 實驗設計因子 27
2-3-3 直交表 28
2-3-4 信號雜訊比 29
2-3-5 因子效應 31
2-3-6 反應圖與反應表 32
第三章 網格建立及流場邊界條件與參數設定 33
3-1 NACA015之單顆風機流場模擬 33
3-1-1 NACA0015之單顆風機幾何外型與網格建立 33
3-1-2 NACA0015之單顆風機流場邊界條件與參數設定 36
3-2 NACA015之雙顆風機流場模擬 38
3-2-1 風機間距(x/D,y/D)=(1.2,1.2)之網格建立 38
3-2-2 NACA0015之雙顆風機流場邊界條件與參數設定 41
3-3 田口方法之應用 42
3-4 加密原本田口法預測NACA0015之雙顆風機流場模擬 53
3-4-1 田口法預測結果:風機間距=1.5D、夾角β=120° 53
3-4-2 田口法預測結果之流場、邊界條件與參數設定 55
3-5 加密田口法Case11雙顆風機流場模擬 57
3-5-1 Case11: 風機間距=1.5D、夾角β=120° 57
3-5-2 加密Case11之流場、邊界條件與參數設定 59
3-6 加密田口法Case14雙顆風機流場模擬 61
3-6-1 Case14: 風機間距=2.5D、夾角β=180° 61
3-6-2 加密Case14之流場、邊界條件與參數設定 63
第四章 結果與討論 65
4-1 田口法原本的預測結果 66
4-2 探討原本加密田口法預測結果與加密Case11、Case14 74
4-2-1 探討原本加密田口法預測結果 74
4-2-2 加密Case11 75
4-2-3 加密Case14 77
4-3 田口法修改後之最後結果 83
4-4 探討特殊Case 89
4-4-1 加密Case1 89
4-4-2 加密Case3 92
第五章 結論與建議 95
5-1 結論 95
5-2 建議 96
5-2-1 網格、流場、邊界條件與參數設定 96
5-2-2 未來研究 98
參考文獻 100

表目錄
表2-1 模擬數值結果比較 29
表3-1 不同尖端速度比下模擬單顆風機的功率係數 34
表3-2 機間距(x/D,y/D)=(1.2,1.2)之雙顆風機的功率係數 39
表3-3 控制因子與水準之表格 43
表3-4 L16(45)的直交表 47
表3-5田口法之模擬設定之因子 49
表3-6 模擬田口法16組的功率係數與望目特性S/N比 51
表4-1 L16(45)的直交表 68
表4-2 η因子反應表 69
表4-3 田口法預測結果 70
表4-4 隨機抽樣組合71
表4-5 預測結果與隨機抽樣之組合 71
表4-6 預測結果與隨機抽樣比較 72
表4-7 加密原本田口法預測 75
表4-8 加密Case11之結果 76
表4-9 加密Case14之結果 78
表4-10 修正後直交表 (加密Case11和Case14)79
表4-11 修正後η因子反應表(加密Case11和Case14 80
表4-12 修正後結果(加密Case11和Case14) 80
表4-13 直交表修正(加密Case14) 81
表4-14 修正後η因子反應表(加密Case14) 82
表4-15 修正後結果 (加密Case14) 82
表4-16 田口法模擬結果 85
表4-17 田口法優化排列 85
表4-18 加密Case1之結果 89
表4-19 加密Case3之結果 92

圖目錄
圖1-1 全球風機安裝總量 2
圖1-2 台灣再生能源未來目標與裝置容量 2
圖1-3 Darrieus型 4
圖1-4 Savonius型 5
圖1-5 直立葉片垂直軸風機(Straight-Bladed VAWT) 5
圖1-6 動量理論之示意圖 11
圖1-7 風機葉片座標定義 12
圖1-8 相對速度向量圖 13
圖1-9 不同尖端速度比之攻角隨旋轉角度位置的變化 14
圖1-10 典型風機效率值隨尖端速度比變化圖 14
圖2-1 交錯格點系統 22
圖2-2 SIMPLEC計算流程圖 22
圖2-3 QUICK-Scheme一維控制體積系統 23
圖2-4 田口方法流程圖 27
圖3-1 單顆風機-計算域網格 35
圖3-2 單顆風機-內部滑移區域網格 35
圖3-3 單顆風機-環繞葉片網格 36
圖3-4 單顆風機與文獻的比較圖 36
圖3-5 風機間距(x/D,y/D)=(1.2,1.2)之雙顆風機-計算域網格 40
圖3-6 風機間距(x/D,y/D)=(1.2,1.2)之雙顆風機-流場網格 40
圖3-7 風機夾角 46
圖3-8 風機間距 46
圖3-9 風機轉軸角度位置 46
圖3-10 加密原本田口法之預測結果-計算域網格 54
圖3-11 加密原本田口法之預測結果-流場網格 55
圖3-12 加密原本田口法之預測結果-環繞葉片網格 55
圖3-13 加密Case11之排列-計算域網格 58
圖3-14 加密Case11之排列-流場網格 59
圖3-15 加密Case14之排列-計算域網格 62
圖3-16 加密Case14之排列-流場網格 62
圖4-1 η因子反應圖 72
圖4-2 田口法原本預測結果之計算域網格 73
圖4-3 田口法原本預測結果之流場網格 73
圖4-4 田口法原本預測結果之環繞葉片網格 74
圖4-5 修正後 η 因子反應圖 83
圖4-6 優化排列之壓力係數分布圖 86
圖4-7 優化排列之速度大小分布圖 87
圖4-8 優化排列之渦流圖 88
圖4-9 Case1之壓力係數分布圖 90
圖4-10 Case1之速度大小分布圖 91
圖4-11 Case3之壓力係數分布圖 93
圖4-12 Case3之速度大小分布圖 94

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