不同桨距角某小型水平轴风机的气动性能分析

为了研究风力机叶片对风力机运行性能的影响.以家用小型风力发电机风轮为对象,利用UG软件得到叶片的三维模型.通过有限体积数值方法求解流动域不可压缩的Navier-Stokes控制方程和k-ω SST湍流模型方程,其中扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,得到流场变量的数值解.通过分析数值结果,研究了风轮的气动性能,即功率系数、力矩系数和轴向力系数在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况:即随着尖速比的增大,功率系数、力矩系数均先增大后减小;随着桨距角的增大,最大功率系数和力矩系数先增大后减小,而最大轴向力系数逐渐减小.同时,展示了不同桨距角下叶片尾部的流线图.通过对风力机叶片气动性能的研究,可为小型水平轴风力机叶片的优化设计提供参考.     

不同叶片包角离心泵空化振动和噪声特性

为研究叶轮叶片包角对离心泵空化诱导振动噪声的影响,以1台单级单吸离心泵为研究对象,保持泵体和叶轮其他几何参数不变,将叶片包角从115°改为110°,120°和125°．在离心泵闭式试验台上测量了不同叶片包角模型泵在不同装置空化余量时的振动和噪声信号,并对信号进行处理和分析．试验结果表明:叶片包角变化对离心泵设计工况下空化性能的影响无明显规律,存在1个最优值;随着叶片包角的增大,各测点加速度传感器测得振动强度的变化规律各不相同,出口法兰测点的振动强度相对最小,振动强度均在10 m／s2以下;随着叶片包角的增大,模型泵在无空化状态下运行时,噪声信号轴频峰值减小,叶频峰值变化复杂;空化初生和发展时,轴频峰值均呈先增加后降低的趋势,1 750～2 250 Hz频段的能量峰值随空化程度的加剧先增大后减小．     

风向变化速度对风力机功率及转速的影响

为了探索风向变化时风力机输出功率及转速的变化情况,以某S翼型三叶片水平轴风力机为研究对象,利用旋转平台模拟风向匀速变化过程,采用IEC61400中规定的极端风向角变化速度5°/s为上限,每间隔1°/s选取1个风向变化速度,即选取1,2,3,4和5°/s这5个风向变化速度,研究不同风向变化速度下风力机输出功率、转速的变化规律.结果表明:风力机在不同风向变化速度下其输出功率与转速总体都呈现波动下降趋势,同一风速下风向变化速度越大,下降速率越快,但在其风向变化过程中对应的下降幅值越小;在风向变化开始与结束时都存在迟滞现象,风向变化开始时风力机输出功率出现小幅度上升,并持续波动3 s左右后才会开始下降;风向变化结束后,风力机需要继续运行一段时间后输出功率与转速才会达到稳定值,风向变化速度越大,该迟滞时间越长,初始尖速比越大,最终稳定后数值越大.     

基于双向流固耦合水平轴风力机输出功率分析

针对流固耦合作用影响风力机的气动性能问题,基于CFX与ANSYS对风力机双向流固耦合模拟及未考虑耦合的风力机流场和结构场进行模拟,探究在额定工况下流固耦合作用对风力机输出功率影响情况.通过对比分析耦合前后的叶片表面压力分布、叶片的变形、风轮的扭矩进而研究风力机输出功率的变化.结果表明:考虑流固耦合作用时,风轮压力面的正压值基本不变,吸力面的负压值明显减小,叶片表面的压力差增大,而叶片在流固耦合作用下表面压力分布趋势无明显变化;叶片主要变形集中在靠近叶尖处,且越接近叶尖变形越大,呈非线性分布,叶片在流固耦合后的变形量相对未耦合增大,叶片的变形主要是沿着轴向的挥舞变形;且叶片的扭矩也更大,流固耦合作用下计算风力机输出功率为383 W,比未耦合增大1.6%,与试验值更接近.     

多参数优化设计对喷水推进组合体水力性能的影响

通过调整轴支架的叶片数、轴支架叶片出口安放角、轴支架与叶轮间距、叶顶间隙等参数对喷水推进组合体的性能进行优化设计,利用CFD对某型喷水推进组合体的流场进行数值模拟,分析不同几何结构参数对喷水推进泵性能的影响。结果表明:随着轴支架叶片数的增大,扬程、效率、功率曲线整体都呈下降趋势;当轴支架叶片数与叶轮相等时,扬程与功率曲线骤降;当轴支架叶片出口安放角为(-25°, 25°)时,随着出口安放角增大,扬程曲线与效率曲线呈线性上升的趋势;随着喇叭管外径长度增大,入口面积变化减小,扬程与效率曲线逐渐下降后趋于平缓,随后又略有上升,功率的变化整体上呈下降趋势;随着轴支架与叶轮间距的增大,扬程曲线逐渐上升后趋于平缓,功率变化规律和扬程变化规律一致,效率曲线先上升后下降;随着叶顶间隙增大,叶轮做功效率下降,扬程、效率及功率曲线都呈下降趋势。该研究结果可提高喷水推进组合体的水动力性能,对促进喷水推进技术的发展具有较大的应用价值,为喷水推进组合体的优化设计提供了一定依据。     

风切变下塔影效应对大型水平轴风力机气动性能的影响

以NH1500三叶片上风向型水平轴风力机为研究对象,基于CFD方法分析了风剪切来流下塔影效应对风力机叶片与风轮的气动载荷、空间流场的影响.结果表明:对于风剪切条件下有/无塔架的2种模型,叶片表面压力分布的差异主要体现在前缘和吸力面;在1个旋转周期内,有塔模型的载荷波动幅值大于无塔的风轮模型,风轮的载荷波动幅值相对于单支叶片较小;方位角150°~210°的时域为塔架模型的塔影中心区;塔影效应是导致风力机输出功率周期性波动的主要因素;塔架模型在叶片相位角180°时刻较无塔的风轮模型流场结构更为复杂;当叶片经过塔架时,流动分离点发生偏移,引起塔架两侧速度不对称.该研究为进一步研究塔影效应对风力机气动特性和空间流场的影响提供了一定参考.     

多级离心泵导叶的时序效应

为研究不同导叶时序位置下离心泵性能变化,以一台节段式2级离心泵为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型对不同导叶时序位置下泵内流场进行数值计算.以次级导叶相对于首级导叶的周向顺时针旋转10°为一个时序位置,共设计6种时序方案. 研究结果表明:在1.0Q_d工况下,相比较无导叶时序方案,当旋转角度φ为导叶叶片间夹角的1/2时,泵扬程和效率的增加幅度达到极大值,分别为0.18%和0.16%;导叶时序对泵性能的影响随着流量的增大不断增大;各监测点处压力脉动主频幅值均随着次级导叶时序角度的增大呈先减小后增大趋势,当首级导叶和次级导叶交错角为30°时脉动主频幅值达到最小,相较于无导叶时序方案最大降低幅度达34.3%;改变导叶时序可有效降低多级泵级间的旋涡大小和强度,从而降低泵内的压力脉动强度.     

不同入流条件对屋顶风力机输出功率的预测

针对地形及城市建筑屋顶风能情况复杂多变的问题,探究入流条件对屋顶风力机输出功率的影响.依据3种典型的城市及郊区地表粗糙度,拟合对应的指数、对数及半对数入流风剖面.选取自制S翼型300 W水平轴风力机,安装于平屋顶合适的位置,采用User Defined Functions接口分别加载3种入流条件,对屋顶流场湍流特性及风轮输出功率进行数值计算.对比分析发现:城市郊区地形的指数入流下建筑屋顶加速效果较小,湍流强度大,不宜安装风力机;城市市区地形的对数入流下风速加速效果最明显,风轮输出功率较高,但其屋顶流场分离、阻滞和湍流程度较大,湍流强度也较大,风力机安装的适宜位置和台数将减少,且存在结构破坏和成本增加等问题;高大建筑城市市区地形的半对数入流下的流场分离、速度阻滞和湍流强度较小,建筑集风效果较明显,适宜安装多台风力机,并可避免风力机结构破坏等问题.     

变桨距角下水平轴海流能水轮机水动力特性及结构性能

基于CFD对海流能水轮机二维水翼进行数值模拟,通过分析不同攻角下的升阻比,得到了该水翼的最佳攻角.利用Matlab对Wilson设计法进行编程,完成设计功率为20 k W海流能水轮机叶片的三维设计.利用CFD对水平轴海流能整体发电装置及支撑结构周围流场进行了计算,研究了功率系数、力矩系数和轴向力系数在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况;采用有限单元法对水动力载荷作用下的水平轴潮流能整体发电装置进行结构计算,探讨了水轮机叶片的应力和应变在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况.结果表明:在1°~5°的桨距角范围内,增大桨距角,有利于低转速下启动水轮机;流速过大时,增大桨距角可有效减小轴向荷载及叶片的形变和应力;在最优工况下,水轮机的功率系数达到0.301,并且满足材料强度要求.研究成果有益于海流能水轮机装置的设计和优化.     

不同收缩角下伞形风力发电机的模态分析

为了真实反映出伞形风力发电机在不同风速、不同收缩角(0°,30°,45°,60°)下的振动情况,借助ANSYS平台中的Modal模块对5kW伞形风力发电机进行有预应力的模态分析.将气动力、离心力、重力作为边界条件,模拟计算伞形风力发电机整机的前六阶模态变化与相应形变,并对整机在定风速和定转速情况下,一阶模态固有频率随收缩角的变化规律进行研究.分析结果显示,伞形风力发电机的固有频率和风轮工作频率、风轮3倍工作频率的相对差值分别为57.2%,-90.5%,可以完全避开共振,其设计是合理的;随着收缩角的增大,一阶固有频率减小,且转速对一阶固有频率的影响程度比风速大;摆振是低频区的主要振动形式,挥舞和扭转振动多出现在高频区;随着风速增大风力机的前六阶模态频率变化平稳,但随转速的增加上升幅度明显,而且离心力比气动力对风力机的动频影响作用更大.     

考虑小攻角影响立轴风轮气动性能改善方法

立轴风力机叶片在旋转1周中其攻角正负转化,在0°和180°方位角攻角为零,表现为负力矩,这降低了叶片的平均力矩,也降低了升力型立轴叶轮整体性能.首先概述了升力型立轴叶轮的研究现状,分析指出目前的研究均主要针对叶轮整体机构、叶片结构及流场情况进行大攻角高性能区域的改善,未减轻小攻角区域的影响.针对此问题,提出了2种考虑小攻角影响的立轴风轮气动性能改善方法,干扰气流方法和新变桨方案.前者主要消除0°和180°位置角零攻角和负力矩,后者通过改变高性能区的范围来减小特殊位置角的影响并产生新的性能极大值点.基于叶素动量理论,建立双盘面多流管模型,分别运用于NACA0012翼型、旋转半径为2 m的2叶片Φ型、H型立轴风力机,并且采用Matlab程序设计语言进行相应计算研究.研究结果显示这2种方法大幅度地降低了负力矩影响范围,整体效果改善显著,上盘面都优于下盘面.     

直叶片达里厄风轮流场非定常数值计算

为了提高达里厄风轮复杂内部湍流流场的认知程度,采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对采用NACA0012翼型的直叶片达里厄风轮的空气动力流场进行二维数值研究,分析叶片流场、叶片动力矩特性、转速对风轮流场的影响规律.叶片流场研究结果给出了叶轮不同时刻、不同位置的流场,揭示叶片攻角随方位角的变化规律为非简单地遵循正弦曲线.动力矩特性曲线揭示叶片在90°方位角时产生最大力矩值,在下盘面动力矩极小并接近于0甚至为负值,证明攻角均极小.比较同一风速、不同转速下的流场发现,随着转速增大,内流场风速逐渐减小;比较动力矩曲线发现,随着转速增大,上盘面动力矩最高值先增大后减小,存在最大值;下盘面动力矩极低值逐渐减小且范围变广.计算结果与试验结果的对比证明,滑移网格技术和湍流模型的模拟计算能够较好地反映直叶片立轴风轮流场特性.     

复杂潮流条件下导管涡轮机的水动力学性能研究

为了探究导管涡轮机在复杂潮流条件下的非定常性能,依据斋堂岛海域的潮流条件,采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法分析了浸没深度和偏流角对导管涡轮机水动力学性能及尾流场流态的影响.研究结果表明:不同浸没深度和偏流角下的导管涡轮机水动力学性能均表现出与波浪频率一致的时间周期性行为;在波流作用下,随着浸没深度的减小,水流将发生强烈的跃迁,由波流引起的水动力学性能波动幅值增大;在波流与偏流共同作用下,随着偏流角的增大,导管涡轮机的平均功率系数及推力系数逐渐减小.此外,水动力学性能在叶轮旋转周期内将出现额外的周期性波动,该波动频率由叶轮转速和叶片数决定,且波动幅值随着偏流角的增加而增大,导管涡轮机后方的尾流场结构也将变得相当不稳定和复杂.     

不同翼型轴向积叠的轴流泵水力性能及内部流态

为了研究叶轮翼型轴向积叠方式对轴流泵水力性能和内部流场的影响,以轴流泵模型ZM25为基础,设计了5种不同方式的翼型积叠方案.保持轮缘处的翼型断面不变,其他翼型断面中心沿斜向直线积叠,积叠角度分别为-8°,-4°,0°,+4°和+8°.基于CFX对5种方案在不同运行工况下的水力性能与内部流态进行预测模拟,并将计算结果与试...     

非对称翼型反装对H型垂直轴风力机流场分布的影响

H型垂直轴风力机(H-VAWT)是典型的升力型垂直轴风力机,且有集群式发展的潜力和优势.文中采用数值模拟的研究方法,建立二维模型,对比分析了使用非对称翼型的H-VAWT叶片反装时的流场结构,以及反装时叶片数对H-VAWT流场分布的影响.结果表明:对于非对称翼型的H-VAWT,叶片反装所产生的尾流湍流强度较叶片正装时大,且尾流的恢复能力差,进而影响到H-VAWT在风场中的布局,但是叶片的正装和反装对H-VAWT附近外流场中Y方向上流场分布的影响基本一致;随着叶片数的增加,反装叶片的H-VAWT本身产生尾流的湍流强度增加,这增强了下风轮区域叶片和上风轮区域叶片所产生湍流的相互作用,但是叶片数为3时,叶片的正装和反装所产生的湍流差别不大.     

H型风力机新型变桨方案数值模拟

针对H型风力机叶片旋转至0°和180°方位角时攻角为0,力矩系数为负值且其附近较大区域也为负值或较小,由此对风力机整体气动性能产生较大负面影响这一问题,提出以改善小攻角区域性能为目标的新型变桨方案,在叶尖速比为4.5时设计桨距角变化曲线改变整机气动性能.采用动网格技术模拟叶片旋转,RNG k-ε模型模拟湍流影响,应用Fluent软件对变桨和定桨风力机进行数值模拟和分析比较.计算结果得出,变桨之后H型风力机叶片扭矩明显增大,最高提升幅度达14%;上盘面,30°~80°方位角叶片扭矩提升幅度较大;下盘面,除270°附近方位角处扭矩无明显变化外,其他方位角叶片扭矩均有较为明显的提升.变桨后风力机内流场变化也较为明显,流场内速度差异较大,内流场的低速区面积变大.从涡量云图也可得到变桨能有效地减小了叶片进入尾流区的概率,降低了尾流对整体风力机性能的影响.     

热能发生器叶型优化及性能

为了提高热能发生器的水力性能,将热能发生器的工作轮叶片结构由等厚直叶片改造为NACA翼型叶片.运用数值模拟方法对具有不同叶型的叶片在不同转速、不同叶片倾角、不同叶片数下的湍动能耗散率和力矩变化规律进行分析,建立了不同叶片形式、叶片数、叶片倾角的多个数学模型.研究结果表明:NACA翼型叶片在不同转速、不同叶片倾角、不同叶片数下的湍动能耗散率和力矩均大于等厚直叶片,能减轻热能发生器工作腔内液体流动产生的液流角偏离程度;随着转速增大,NACA翼型叶片与等厚直叶片的力矩差值逐渐扩大,液流偏离损失进一步减小,相对弯度较大的NACA6412翼型产生的湍动能耗散率最大,液体流动更剧烈,在3 000 r/min的高转速下产生的力矩比等厚直叶片的大39.2%;当叶片倾角从35°增大到65°时,NACA0012和NACA2412翼型叶片力矩逐渐减小,NACA4412和NACA6412翼型叶片力矩值先增大后减小;不同叶型的工作轮叶片最优叶片数组合不同.     

垂直轴风力机翼型涡流噪声的数值分析

为了了解垂直轴风力机翼型涡流噪声特性,以LUT翼型为研究对象,首先利用Fluent进行流场分析,流场计算选用DES湍流模型,再结合Lighthill声类比方法计算翼型周围声场,将数值模拟计算得到的气动特性相关数据与该翼型的风洞试验结果作对比分析,同时分析了不同攻角对该翼型气动噪声特性的影响,最后研究了在攻角为8°时不同雷诺数对该翼型的声压级指向性特征影响.结果表明:数值计算所得气动数据与风动试验数据拟合良好,建立的仿真模型、网格质量和边界条件合理有效;随攻角增加,翼型涡脱落从尾缘向前缘推进,同时涡流脱落强度增大,气动噪声增强;随着雷诺数的增加,翼型四周声压级先增加后减小;雷诺数与声压级关联较大,控制叶片雷诺数有助于降低叶片噪声,为该翼型适用于低噪声垂直轴叶片提供理论基础.     

叶片挥舞振动后风轮流场特性

为了研究水平轴风力机叶片挥舞振动后风轮尾迹流场特性的变化规律,以某NACA翼型风轮为研究对象,通过自定义UDF代码及采用动网格技术成功控制了叶片振型,使得风轮在三维旋转的同时做垂直于旋转面的挥舞运动.数值模拟中利用Fluent计算平台对风轮尾迹速度场、涡量场及压力脉动特性进行研究.研究结果显示:施加振动后风轮在1个旋转周期内均会在叶中附近产生相对速度增益区、叶尖处会产生速度亏损区域,从而使叶片受力更加不均匀,出现较大压差,加速叶片的损坏与断裂;施加挥舞振动后叶尖处涡量强度增加,叶尖涡的脱落有所延迟;施加振动前后压力脉动均呈现周期性波动,且在径向0.5 m处压力脉动波动最为明显.通过引入新的非定常因素,揭示挥舞振动对风轮尾迹流场特性影响规律,使数值模拟结果更加逼近风力机实际运行状态,对风力机叶片设计具有指导意义.