垂直轴风力机动态特性及气动性能

垂直轴风力机流场属典型的非定常大分离流动,因其气动性能复杂,采用工程气动模型会有较大误差.为了研究垂直轴风力机动态失速与翼型附着涡的形成与发展,针对4种不同厚度的NACA对称翼型系列,基于Fluent软件的滑移网格技术,并选用S-A湍流模型和基于压力的Simple算法对H型垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,得到了风轮旋转中动态失速相位角范围,较好地解释了小叶尖速比下翼型多处于动态失速区的流动机理.同时,提出了升阻系数计算方法,计算得到了该4种翼型系列的叶片扭转力矩、风力机功率和风能利用系数随叶尖速比变化规律.研究结果表明,风力机运行中翼型的动态与静态特性存在较大差别,翼型厚度对风力机扭转力矩、功率和风能利用率具有较大影响.故在进行垂直轴风力机设计时应综合考虑垂直轴风力机的翼型厚度等几何参数与旋转等动态参数对其气动特性的影响.     

低风速下H型垂直轴风力机气动性能

为了准确地研究低风速下H型垂直轴风力机的特性,以自主研发的H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟方法,分析了低风速下H型垂直轴风力机的气动性能和三维效应特征.分析结果表明:低风速区域,保持叶尖速比不变,改变风轮转速或来流风速,对H型垂直轴风力机的功率系数影响较大,且风速对叶尖速比的影响比转速的影响更敏感;在低风速区域,即使转速较大,风力机实际仍工作在低叶尖速比区域;在数值模拟中,设定合理的风速和转速的匹配有利于提高模拟结果的可靠性;在不考虑风剪切的情况下,三维效应受叶尖涡影响,且叶尖涡在0°方位角的位置时影响较大,同时还受风轮内流场的作用,且这种作用随着转速的增加而增强.计算结果为进一步研究H型垂直轴风力机提供了参考.     

灌水量及灌水频率对玉米生长和水分利用的影响

利用遮雨棚蒸渗桶栽试验,研究灌水量和灌水频率对夏玉米生长、产量和水分利用的影响.试验以“郑单958”为研究材料,设置3个灌水量水平W1(120%ETc),W2(100%ETc)和W3(80%ETc)和3个灌水频率D1(3 d),D2(6 d)和D3(9 d)共9个处理,在生育期内对桶栽玉米的各项生长指标进行观测,分析不同处理对玉米的影响.结果表明:玉米的株高、叶面积、干物质量和产量随着灌水量的增大,均呈现出增加趋势;随着灌水频率的增大,均呈现出下降趋势.显著性分析表明,灌水量对夏玉米生长特性和产量的影响程度大于灌水频率.单株玉米产量在W₁D3处理下达到最大值,在W₃D1处理下玉米产量最小,差异具有统计学意义.水分利用效率和灌溉水利用效率则随灌水量的增大呈现先增大后减小趋势,且随灌水频率的增加逐渐降低.W₂D3处理的水分利用效率和灌溉水利用率最高,分别为1.83和1.61 kg/m3.基于各处理水分利用效率和产量变化,W₁D3(120%ETc,9 d)可作为基于试验条件下较适宜的灌水技术.     

导叶与隔舌相对位置对离心泵非定常压力脉动影响的数值模拟

导叶叶片出口边与蜗壳隔舌的相对安放位置对单级离心泵水力性能影响较大,该问题在设计和安装过程中容易被忽略.为了研究时序效应对离心泵运行时非定常压力脉动的影响,首先通过试验测得离心泵外特性曲线,然后采用雷诺时均法对离心泵内部流场进行数值模拟,并将模拟结果与试验进行对比.结果表明,模拟值与试验值契合度较高.模拟结果显示时序效应对离心泵非定常压力脉动影响较大.当安放角度ψ为25°和41°时,叶轮及扩压器内部压力脉动较小,蜗壳内部压力脉动较大;当安放角度ψ为5°和59°时,蜗壳内部压力脉动较大,叶轮及导叶内部压力脉动较小.研究结果对导叶安装有一定借鉴价值.     

高原地区垂直轴风力机应用分析

青藏高原大部分地区属风能资源可利用区,但风向的多变特性限制了水平轴风力机的应用.从分析青藏高原地区风能资源分布情况及特征入手,依据高原独特的气象条件,采用理论分析方法探讨了空气密度对垂直轴风力机出力特性的影响规律,采用数值模拟方法对比海拔4 000 m处以及标准状态2种空气密度下垂直轴风力机的出力特性,归纳了光照辐射、覆冰、雷击等特殊因素对垂直轴风力机的影响.结果表明:空气密度对风能利用系数影响较小,但对输出功率影响较大.在相同风速条件下,同一垂直轴风力机在海拔4 000 m处(即ρ₁=0.843 7 kg/m³)输出功率约为在ρ₀=1.225 0 kg/m³地区的0.60~0.67倍.最后针对分析结果,提出了风轮改进设计方法及应对环境因素的改善措施.研究结果可对高原环境下垂直轴风力机的推广应用提供参考.     

导叶周向安装位置对离心泵叶轮径向力的影响

为研究导叶和环形蜗室周向相对位置对离心泵叶轮径向力的影响,以一配有导叶和环形蜗室的离心泵为研究对象,设计相对位置角α分别为0°,10°,20°和30°的4套计算方案.采用ANSYS CFX对泵内全流场进行非定常的数值模拟,并通过试验对数值计算结果进行验证.基于数值计算结果,分析了导叶和环形蜗室不同相对位置下泵能量性能和叶轮径向力的变化规律.结果表明:α的变化对泵能量性能有明显的影响,不同的α下,扬程的最大变化为1.95%,效率的最大变化为1.39%,且α=20°时,其能量特性最优;随着α的增大,径向力脉动的幅值先减小后增大,α=20°,其脉动幅值最小,为最大脉动幅值的80%;随着α的增大,径向力脉动的主频先增加后减小,主频和次频对应的脉动幅值则先减小后增加,α=20°时,主频和次频处的脉动幅值最小;α的改变会对径向力矢量的分布产生影响,当α=0°和30°时,其分布具有较强的规律性,且α=0°时,其分布更有利于离心泵的长期运行.     

自适应风速垂直轴风力机的阻升转换特性

为了研究自适应风速垂直轴风力机(VAWT-SWS)运行模式的变化规律,设计制作了含有活动和固定叶片的直叶片垂直轴风力机,同时制作出与活动叶片和固定叶片贴合后形状相同的直叶片垂直轴风力机.搭建出风洞试验台,在固定风速和风力机高度条件下,通过增减支撑臂的数量和长度,研究了风力机的叶片数和直径对自适应风速垂直轴风力机阻力和升力运行模式转换的影响.借助于风洞试验获得风力机转矩随尖速比的变化曲线,并与相同参数的直叶片纯升力垂直轴风力机进行了比较,以转矩的接近程度作为判据,判定了自适应风速垂直轴风力机所处的工作模式.试验结果表明:在一定条件下,自适应风速垂直轴风力机可以进行工作模式的自动转换,增加叶片数可使风力机阻升转换所需尖速比降低,而增大风力机直径可使阻升转换所需尖速比提高.研究结果可以为自适应风速垂直轴风力机的设计提供理论指导.     

直线翼垂直轴风力机静态流场数值模拟与可视化试验

为研究翼型对直线翼垂直轴风力机启动特性的影响,选取了厚度相似的正装非对称翼型S809与通用对称翼型NACA0018进行两叶片垂直轴风力机的对比研究.首先,运用数值模拟的手段得到采用2种翼型风力机的周期静态力矩曲线,取得二者力矩差异较大的特定方位角,并且进一步获得特定方位角下的涡量图和矢量图.然后通过可视化试验得到叶片周围流场矢量图,并将其用来验证模拟结果的准确性.继而结合涡量图和矢量图,对2种风力机叶片周围的旋涡和流动变化情况进行分析.计算结果表明:2种翼型的力矩曲线随方位角变化规律一致,NACA0018翼型的启动性要好于正装S809翼型;叶片尾流的旋涡使流场变得不稳定,造成能量损失;2种翼型叶片尾流均有不同程度的旋涡产生,使流场变得不稳定,相比NACA0018翼型,正装S809翼型叶片后部的剪切流动更强,产生的旋涡更近,对叶片启动性的影响也更大.     

B-Spline曲线聚风装置直线翼垂直轴风力机启动性能数值模拟

为了提升直线翼垂直轴风力机的启动性能,基于B-Spline曲线生成方法,提出一种具有流线型轮廓的聚风装置,将其分别安装在风轮顶端和底端,用以提升风轮附近的来流风速,使风轮汲取更多风能,达到更易启动的特点.选取聚风装置的5个结构参数进行设计：聚风装置与风轮间隙距离ΔL、底圆半径R₁、顶圆半径R₂、入口角度α₁和出口角度α₂.设计方法采用二次旋转正交组合筛选最优模型,通过三维数值模拟研究聚风装置参数对直线翼垂直轴风力机启动性能的影响,获得了最佳外形参数组合.此外,对有无加装聚风装置的直线翼垂直轴风力机进行了静态三维数值模拟.结果表明,通过添加具有外凸流线型轮廓的聚风装置,直线翼垂直轴风力机的启动性能有显著提升.在风速较低的情况下,性能改善更加明显.聚风装置可使直线翼垂直轴风力机的平均启动力矩系数最大增加38.8%,峰值平均启动力矩系数最大可增加31.2%.     

30PY摇臂式喷头掺气与掺液的抽吸性能试验

为了实现摇臂式喷头在较低的工作压力下工作,在原有结构基础上设置掺气管结构,形成水气两相射流开展喷灌作业.掺气管的吸气功能也可用于抽吸叶面肥液、药液,从而实现摇臂式喷头的多功能用途.为了掌握该结构的抽吸能力,选择掺气管的内径d,伸缩长度L以及摇臂式喷头喷嘴的收缩角度θ为影响因素,试验研究30PY摇臂式喷头掺气管堵住时形成的真空度以及抽吸水时的质量流量.结果表明:在相同喷头工作水压力下,喷头的喷嘴收缩角θ在30°~65°的试验范围内增大时,喷头的工作水流量减小,从而影响掺气或掺液时的混合比例;掺气管缩距离L相对喷嘴出口端面为0,当L从-4~6 mm移动时,掺气管的抽吸能力从0逐渐增大到最大,L取值2 mm为推荐值;掺气管内径d越大,摇臂式喷头的工作水压力越高,则掺气管抽吸流体的流量越大.     

采用新颖翼型的H型风轮气动特性试验研究

为了提高H型风轮的自启动性能,探索性地设计了一种仅有前缘和一个翼面的新颖翼型,并对采用该翼型的H型风轮进行风洞试验,分别测试了H型风轮在多个风速下的空载启动性能和功率输出特性,分析了雷诺数效应及翼型对于不同实度风轮的适用性.结果表明:采用新颖翼型的H型风轮能够低风速启动,具有较好的启动性能,该翼型对于提高大实度风轮的启动性能尤其明显;采用该翼型的大实度风轮以阻力为主要驱动力,本质上属于阻力型风力机,然而具有较高的风能利用系数.综合启动性能和功率输出特性,文中设计的翼型适用于大实度H型风轮.     

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.     

计及动态失速和有限展弦比的立轴风力机气动分析

结合Darrieus立轴风力机运行时叶片非定常气动特性,对B-L动态失速模型进行了适当修正。考虑叶片有限展弦比效应和叶尖气动损失,修正了等截面叶片的气动性能。基于DMST气动评价方法,给出了考虑动态失速和有限展弦比效应的Darrieus立轴风力机气动性能计算模型。对Sandia实验室17m风力机进行了气动评价,分析了动态失速与有限展弦比对叶片气动特性的影响,与实测的功率和功率系数的对比表明,该模型能较好地预测Darrieus立轴风力机的气动性能。     

小型风力机系统气动及发电性能试验研究

为了揭示小型风力机系统气动及发电性能的差异,分别对某新型的风力机风轮及连接发电机的同一风轮的气动性能和发电性能开展风洞试验,详细分析了风轮的气动特性及发电机的电磁特性.基于风轮气动功率和发电机的发电功率试验数据,给出了风力机不同风速下的最优工作曲线和实际工作曲线,在不同风速下实际工作曲线中的发电功率峰值及其对应转速均小于最优工作曲线中的气动功率峰值及其对应转速.风轮的气动扭矩随转速先增大后减小,然而发电机的电磁扭矩随转速增大而增大,当发电机逐渐增大的电磁扭矩等于开始减小的气动扭矩,发电机的转速无法进一步加速到气动功率最大值对应的转速,这种不匹配是导致风力机系统气动和发电性能差异的主要原因.试验数据可为研究风力机最大功率控制策略提供支持.     

叶片数对尾缘加弯板垂直轴风力机功率影响数值模拟

为了探究叶片数量对叶片尾缘加装弯板直线翼垂直轴风力机气动特性的影响,通过不同叶片数量下直线翼叶片尾缘加弯板对垂直轴风力机叶片周围流场改善情况的对比,分析其气动特性变化.选取NACA0018直线翼型作为研究对象,利用数值模拟计算7种弯板长度下,2,3,4这3种叶片数量下的直线翼垂直轴风力机动态输出特性和静态起动特性.研究结果显示:该类升力型垂直轴风力机的气动特性受到叶片数量和弯板长度的综合影响,弯弦比的增加能够提升风力机的阻力性能,但会弱化因叶片数量增加导致风力机产生的功率系数的差别;在不同叶片数量下,适当弯板长度对风力机静态起动性能具有优化作用,但其起到优化作用的方位角不同,且2叶片时优化效果最佳,平均转矩系数提升40%.该研究为垂直轴风力机叶片尾缘的设计与优化提供依据.     

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.     

阻力叶片对升阻复合型垂直轴风力机气动性能的影响

为了获取更多的风能,针对升力型垂直轴风力机趋于大型化设计而造成的垂直轴风力机起动困难的问题,提出了一种升阻复合型的新型垂直轴风力机.在保持其升力叶片不变的前提下,利用Fluent数值模拟,建立9种升阻复合风力机数值模型,研究了阻力叶片圆弧半径和相对主轴的距离对其起动性能与运行效率的影响规律.得到阻力叶片最佳的尺寸与位置组合后,与纯升力型的垂直轴风力机进行了比较. 结果表明:在起动性能方面,阻力叶片圆弧半径与相对主轴的距离越大,风力机的起动性能越好.在运行效率方面,当尖速比为0.5~1.0时,阻力叶片圆弧半径和相对主轴的距离的变化,对风力机功率系数影响不大;当尖速比超过1.0之后,阻力叶片圆弧半径与相对主轴的距离变大,会使风力机的功率系数减小.升阻复合型风力机虽运行效率有所降低,但起动性能明显提升.