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研究生： 王怡昌
I-Chang Wang
論文名稱： 中小型垂直軸風力發電機之氣動噪音分析
Aeroacoustics　Analysis　of　a　Small　Vertical-Axis　Wind　Turbine
指導教授： 黃以玫
Yii-Mei Huang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 144
中文關鍵詞： 垂直軸風力發電機 、氣動聲學 、LMS Virtual.Lab 、ANSYS FLUENT
外文關鍵詞： LMS Virtual.Lab, ANSYS FLUENT, Aeroacoustics, Vertical Axis Wind Turbine(VAWT)
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    • 　　本文選擇中、小型垂直軸風機作為研究對象以分析其噪音。垂直軸風力發電機與水平軸風力發電機相比，其功率係數較低，但仍然有其優勢存在，構造簡單且適合風況較差、障礙物較多之環境，產生之噪音較低。
    　　本研究利用ANSYS FLUENT計算流體力學(CFD)，並分別使用ANSYS 　FLUENT與LMS Virtual.Lab分析氣動噪音，對10kW風機在不同風速、轉速下進行模擬分析，比較各種情形下之聲場分佈；而對50kW風機則比較有翼尖小翼與無翼尖小翼對氣動噪音之影響。此項研究可提供研究人員一套模擬方法，有助於分析垂直軸風機之氣動噪音，並幫助風機開發與設計。

    　　Two　small　vertical　axis　wind　turbines(VAWT),　10kW　and　50kW,　are　analyzed　for　understanding　their　noise　due　to　rotation　of　the　blades.　The　vertical　axis　wind　turbine　compared　with　horizontal　axis　wind　turbine(HAWT)　has　a　lower　efficiency.　However,　the　supporting　structure　of　VAWT　structure　is　relatively　simple.　It　is　suitable　in　poor　wind　conditions.　Besides,　VAWT　also　generate　lower　noise.
    　　In　this　study,　ANSYS　FLUENT　is　used　to　calculating　fluid　dynamic　effects.　Then,　ANSYS　FLUENT　and　LMS　Virtual.Lab　are　chosen　to　obtain　aeroacoustic　noise.　The　aeroacoustic　sound　pressures　due　to　the　operation　of　the　10kW　wind　turbine　at　different　wind　velocities　and　rotational　speeds　are　investigated.　The　noise　of　a　50kW　wind　turbine　is　studied　to　give　the　effects　due　to　additional　winglets　on　the　blade　tips.　This　thesis　can　provide　information　to　understand　the　noise　resulted　from　VAWT.

    摘要　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I Abstract　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 II 誌謝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　III 目錄　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 IV 圖目錄　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　VII 表目錄　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 XIII 符號說明　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　XIV 第一章 緒論　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1 1-1 前言　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1 1-2 文獻回顧　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1 1-3 內容提要　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 3 第二章 基礎理論　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 7 2-1 CFD基礎理論方法　　　　　　　　　　　　　　　　　7 2-2 紊流模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 8 2-3 氣動聲學　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10 2-3-1 萊特希爾聲學類比理論　　　　　　　　　　　　　　10 2-3-2 FfowcsWilliams –Hawkings方程式(FW-H方程式)　　 12 2-3-3 聲壓函數　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 2-4 風機與噪音基本原理　　　　　　　　　　　　　　　15 2-4-1 功率係數(power coefficient, C_P)　　　　　　　　15 2-4-2 音壓位準(Sound Pressure Level, SPL)　　　　　　 17 第三章 數值模擬方法與模型建立　　　　　　　　　　　　　　20 3-1 數值模擬軟體簡介　　　　　　　　　　　　　　　　20 3-1-1 ASNYS Workbench及ANSYS FLUENT　　　　　　　　　 20 3-1-2 LMS Virtual.Lab　　　　　　　　　　　　　　　　 21 3-2 幾何外型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　21 3-3 壁面函數與邊界條件　　　　　　　　　　　　　　　22 3-4 ANSYS之計算方法　　　　　　　　　　　　　　　　 23 3-4-1 網格　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　23 3-4-2 求解方法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　24 3-4-3 收斂條件　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　25 3-5 聲學分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　25 3-5-1 ANSYS FLUENT之計算聲學　　　　　　　　　　　　　25 3-5-2 LMS Virtual.Lab之計算聲學　　　　　　　　　　　 26 第四章 數值分析結果與討論　　　　　　　　　　　　　　　　37 4-1 ANSYS FLUENT之10kW風機聲學分析(風速12 m/s)　　　37 4-1-1 風速12m/s，TSR=2　　　　　　　　　　　　　　　　38 4-1-2 風速12m/s，TSR=3　　　　　　　　　　　　　　　　39 4-1-3 風速12m/s，TSR=4　　　　　　　　　　　　　　　　40 4-1-4 TSR=2、3、4綜合討論　　　　　　　　　　　　　　 40 4-2 LMS Virtual.Lab之10kW風機聲學分析(風速12 m/s)　 41 4-3 10kW風機ANSYS FLUENT與LMS Virtual.Lab比較　　　 42 4-4 ANSYS FLUENT之10kW風機聲學分析(風速2 m/s)　　　 43 4-4-1 風速2m/s，TSR=2　　　　　　　　　　　　　　　　 43 4-4-2 風速2m/s，TSR=3　　　　　　　　　　　　　　　　 44 4-4-3 風速2m/s，TSR=4　　　　　　　　　　　　　　　　 44 4-4-4 TSR=2、3、4綜合討論　　　　　　　　　　　　　　 45 4-5 LMS Virtual.Lab之10kW風機聲學分析(風速2 m/s)　　46 4-6 10kW風機ANSYS FLUENT與LMS Virtual.Lab比較　　　 46 4-7 ANSYS FLUENT之50kW風機聲學分析　　　　　　　　　47 4-7-1 50kW風機無翼尖小翼之聲學分析　　　　　　　　　　48 4-7-2 50kW風機有翼尖小翼之聲學分析　　　　　　　　　　49 4-7-3 比較50kW風機有/無翼尖小翼之聲學分析　　　　　　 50 4-8 LMS Virtual.Lab之50kW風機聲學分析　　　　　　　 50 4-9 50kW風機ANSYS FLUENT與LMS Virtual.Lab比較　　　 51 第五章 結論與未來展望　　　　　　　　　　　　　　　　　 137 5-1 結論　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 137 5-2 未來展望　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 139 參考文獻　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　141 作者簡介　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　144

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    郭淑芬，盧奕銘，崔廣義，涂聰賢，劉育翔，2007，不同風速下風力發電機噪音分布之研究，音響學會年會暨第二十屆論文發表會
    張智堯，2011，螺旋式垂直軸風力機之氣動力模擬，中央大學機械工程學系碩士論文
    孫耘，2007，新型垂直軸風力發電系統之設計與實現，淡江大學電機工程學系碩士論文
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