涡轮增压柴油机进气流量的计算与仿真

在进行增压器与柴油机匹配及柴油机系统动态仿真时,需要准确计算柴油机进气流量。为确定最佳的进气流量计算模型,对进气流量平均值模型进行比较分析,综合考虑增压中冷、废气再循环率、充量系数及工况变化的影响并建立相应的修正模型,利用Matlab/Simulink对所有模型进行了仿真验证。仿真和试验结果表明:修正后的进气流量模型计算结果与试验数据相吻合,最优模型的平均相对误差为2.96%,模型设计合理准确。研究结果可为准确计算涡轮增压柴油机进气流量及其模型的选择提供指导和依据。     

黏重黑土条件下马铃薯挖掘铲仿生减阻特性分析与试验

针对黏重黑土地区马铃薯挖掘铲挖掘阻力大、能耗高等问题，以白茅根膜质叶鞘为仿生原型，设计了一种基于仿生波纹结构的马铃薯减阻挖掘铲。基于离散元（DEM）法仿真和土槽试验，确定减阻性能最优的设计参数；通过田间试验以油耗和阻力为指标验证仿生挖掘铲的减阻效果和挖掘性能。离散元仿真得到仿生挖掘铲最佳布置方式为纵向布置；在相同纵向布置方式下，通过土槽试验得到仿生挖掘铲的波纹参数在幅值为2.5 mm、频率为0.5时表现出较为优异的减阻性能。根据最佳参数研制仿生纵波纹铲，进行普通平铲和仿生纵波纹铲的作业对比试验，结果表明仿生纵波纹铲阻力减少了14.45%，单位油耗减少了17.15%。研究表明仿生纵波纹铲具有较好的减阻特性，仿生结构设计合理，能实现黏重黑土条件下马铃薯收获挖掘作业，可为整机节能减耗的研究奠定基础。     

仿海豚皮肤结构的功能表面提高离心泵效率

为了提供一种可利用仿生功能表面提高泵类产品效率的方法,该文分别以鲨鱼皮肤及海豚皮肤表面结构为模仿原型,设计了2种仿生功能表面,模仿鲨鱼皮肤结构的功能表面为模型1,仿海豚皮肤结构的功能表面为模型2,并以吉林市奥吉通泵业有限公司生产的200QJ50-26离心式水泵为载体,进行了试验研究。研究结果表明,模型1可提高水泵效率2%~3%,模型2可提高水泵效率5%,且模型2在全流段范围内增效效果显著。利用氢气泡流动显示试验,从流场尾迹再附点及涡距2个方面说明了上述2种模型对流体介质的控制机制。试验结果表明,模型2相比模型1,其尾迹再附点距离降低5 mm,而尾迹涡距距离却增加3 mm。说明模型2的压差阻力得到降低,此外,模型2通过降低涡生成密度及速度的方式降低能量的耗散,其减阻效果更明显。该研究为仿生功能表面在以流体为工作介质的流体机械及在流体介质中运行的交通工具的全面应用提供了参考。     

叶轮弧盘及锥盘型线对高比转速离心通风机性能的影响

为改善离心通风机的气动性能,该文以一高比转速离心通风机为研究对象,结合试验和全通道数值模拟研究了锥盘及4种不同弧盘叶轮对离心通风机性能的影响,通过对非定常流场及压力脉动信号的分析得到了前盘型线对高比转速离心通风机性能的影响机理。研究结果表明,随着比转速的增大,叶轮前盘型线对离心通风机效率的影响程度增大,比转速为73和120时,弧盘叶轮较锥盘叶轮效率分别提高5%和14.5%。高比转速离心通风机锥盘叶轮在靠近前盘处的流动分离现象过早,并一直延伸至叶轮出口,在无叶扩压器区域沿轴向出现环流,严重阻碍流体流入蜗壳。将锥盘改为弧盘后,叶片负荷和出口气流角增大,流动分离损失降低,出口压力脉动幅值降低。对前盘弧线进一步优化后,弧盘叶轮边界层损失和压力脉动进一步减小,在设计工况(38 205.63 m~3/h)下效率较原弧盘叶轮提升了1%。该研究成果为高比转速离心通风机叶轮的设计以及内部流动特性的研究提供了参考。     

基于粒子图像测速技术的液力偶合器漩涡流动特性研究

液力偶合器内部流动特性对能量的高效传递非常重要。深入研究液力偶合器内部流动机理和流场结构分布,对于优化液力偶合器腔型结构并进一步提高其工作性能具有重要意义。液力偶合器的内部流场是具有多种流动结构和多种物理效应并存的流场,存在多种复杂的流动现象,尤其在制动工况下液力偶合器涡轮内部流动是一种特殊的漩涡流动。为了研究制动工况下涡轮独立流道内漩涡流动的产生与运动,基于粒子图像测速技术（particle image velocimetry,PIV）采集涡轮径向切面流动图像。通过灰度化增强、阈值分割、边缘检测、锐化等图像处理技术识别涡轮内部大尺度漩涡流动,定性分析流场结构分布;采用连续帧图像互相关算法定量提取涡轮内部速度场和涡量场,研究涡轮内部小尺度漩涡流动;分析漩涡流动产生的原因及其对液力偶合器能量传递的影响;讨论不同尺度涡旋发展变化的过程,通过涡量场分布结果研究流体能量耗散。分析涡轮近壁面流动区域上的漩涡流动,证明壁面边界区域上的相对涡量将对能量耗散产生重要影响。通过PIV试验研究实现了涡轮内部漩涡流动可视化与流动参数定量化提取,PIV试验研究结果可为液力偶合器内部流动机理研究提供参考。     

可变喷嘴涡轮增压及废气再循环系统改善柴油机排放性能

针对一台废气旁通阀式（wastegate,WG）增压柴油机,提出可变喷嘴涡轮增压器（variable nozzle turbine,VNT）+文丘里管废气再循环系统（venturi exhaust gas recirculation,vEGR）的 VNT-vEGR 系统设计,并进行匹配优化。搭建了发动机台架试验系统,在保证原机经济性与颗粒物（particulate matter,PM）排放性能基本不变的前提下,对氮氧化物（NOx）排放进行重点优化。研究结果表明：优化后的 VNT+vEGR 柴油机的欧洲稳态测试循环（European steady state cycle,ESC）试验加权的有效燃油消耗率、NOx 排放和 PM 排放分别为229.4、3.53和0.055 g/(kW·h),相比于原 WG 柴油机的变化率分别为0.04%、?48.2%和14.6%,油耗和 PM 排放略有升高,而 NOx 排放大幅降低,且动力性整体提高约5%～10%。匹配新系统的柴油机能够满足现行的排放法规并具有满足未来排放法规的潜力。该研究为改善柴油机的排放性能提供了参考。     

仿生减阻树木移植机铲片设计与试验

铲片是树木移植机的重要工作部件,其尺寸参数、形状以及数量分布决定着移植机的挖土性能和整机的能耗大小。为了有效减小铲片切削土壤时所受阻力、减小整机能耗,该文根据树木移植机的工作状况和特点,对铲片进受力分析并建立力学模型。仿照土壤动物步甲的掘土器官大颚的体表结构设计非光滑仿生铲片,运用动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA对原型铲片和仿生铲片切削土壤过程进行数值优化,通过原型铲片的数值仿真确定最佳铲片切削角为83?,在相同的铲片结构和土壤条件下,数值优化得到仿生铲片最佳参数为表面凸起直径14 mm,凸起中心距28 mm,凸起高度4 mm。根据最佳参数研制仿生铲片,并安装在移树机上进行原型铲片和仿生铲片的作业对比试验,发现仿生铲片有效减阻11.11%,证明了仿生非光滑铲片具有较好的减阻特性,可为整机节能降耗奠定基础。     

离心泵内部非定常压力场的数值研究

为研究离心泵内部压力随叶轮旋转的变化,采用FLUENT提供的滑移网格技术对设计工况下离心泵内的非定常流动进行了数值计算,分析了离心泵内部非定常流动的规律。结果表明：离心泵内部流动的非对称特性和非定常特性明显;离心泵出口和叶片进口压力的波动对离心泵性能影响较大;在蜗壳中部截面S2和蜗壳出口截面S3上,静压的波动主要受叶片和蜗舌相对位置的影响,而动压的波动主要受叶片和截面相对位置的影响;两截面上沿蜗壳径向静压增大,动压减小;沿蜗壳周向静压随圆周角的增大而增大,而动压略成下降趋势。该分析为研究离心泵内流现象,降低离心泵的汽蚀、振动和噪声提供了有益的借鉴。     

柴油机工作循环热力过程的Yong分析

利用Ｙｏｎｇ分析方法，分析了柴油机工作循环热力过程中诸，多不可逆因素所产生的Ｙｏｎｇ损失的方案和措施进行了讨论，提出了燃烧过程，减小换气系统流动阻力，降低燃气对壁面的传热，利用废气涡轮回收排气Ｙｏｎｇ和减少摩擦等降低循环过程Ｙｏｎｇ损失的主要措施，为柴油机循环效率的提高指出了发展方向。     

Calculation and simulation of air mass flow forturbocharged diesel engines

在进行增压器与柴油机匹配及柴油机系统动态仿真时,需要准确计算柴油机进气流量。为确定最佳的进气流量计算模型,对进气流量平均值模型进行比较分析,综合考虑增压中冷、废气再循环率、充量系数及工况变化的影响并建立相应的修正模型,利用Matlab/Simulink对所有模型进行了仿真验证。仿真和试验结果表明：修正后的进气流量模型计算结果与试验数据相吻合,最优模型的平均相对误差为2.96%,模型设计合理准确。研究结果可为准确计算涡轮增压柴油机进气流量及其模型的选择提供指导和依据。     

轴流转桨式水轮机转轮进口前流场的数值分析

采用数值计算的方法，基于Navier-Stokes方程κ-ε紊流模型，研究了轴流转桨式水轮机内部的流动特性。通过分析水流自活动导叶出口到转轮进口的轴向速度，以及速度矩在不同工况下的分布规律，说明活动导叶开度不同时流道转弯对转轮叶片进口速度分布产生一定的影响：其中小流量工况时，流道转弯对轴向速度起到改变其分布规律的作用，对速度矩起增加的作用，在大流量工况时流道转弯对轴向速度起平衡作用，对速度矩起到减小的作用。这些研究对转轮进口处的位置确定，提供了参考，达到优化叶片提高水轮机效率的作用。     

水力机械固液两相流设计方法探讨

对水力机械中转轮叶片的磨蚀进行了简略的分析,并运用水力机械固液两相流动理论,探讨了含砂水中水力机械转轮叶片的设计方法,在一小电站的应用取得了较满意的效果,该文仅适用于稀疏颗粒的精形。     

基于复合MPC算法的风电机组降载控制

随着风电机组单机容量的不断增大，风电机组的关键部件承受的载荷也越来越大，对风电机组可靠性的要求也越来越高，因此，要求风电机组控制策略与技术，既能实现功率优化控制，又能实现降载控制。研究基于模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）理论，设计了一种基于风电机组多控制目标的运行区间划分方法的风电机组复合模型预测控制（Multi Model Predictive Control，Multi MPC）控制器。首先建立基于Matlab和TUV GL bladed的联合实时仿真平台，将MPC控制器与传统PI控制器进行对比分析，并以DUV GL Bladed软件中2 MW双馈式风电机组非线性模型作为研究对象，对Multi MPC控制器、MPC控制器和传统的比例积分微分（Proportional Integral Differential，PID）控制器进行了降载控制仿真分析。研究结果表明，Multi MPC控制器能够减小风电机组转速波动幅度，抑制转速超调量，降低传动链的载荷；能够抑制桨距角的波动幅度和变化速率，降低变桨距机构的运行载荷，提高机组运行可靠性。     

水流式水轮泵的试验研究

水流式水轮泵是以水流为动力的提水机械，该文针对德国Ｂｒｅｍｅｎ海外研究与发展协会研制的ＢＯＲＤＡ泵在试验及应用中存在的问题，设计了一种新型的垂直轴水流式水轮泵。经试验表明，能适应我国浅水流地区使用。     

转轮下环间隙对混流式水轮机内部流动特性的影响

水轮机转轮间隙内的泄漏涡、泄漏流等复杂的湍流易影响水轮机的性能与稳定性。为了分析下环间隙对混流式水轮机能量特性和内部流态的影响,该文基于N-S方程和SST湍流模型,考虑了0.6 Qd(Qd为设计流量工况)、0.8 Qd、Qd、1.2 Qd共4种流量工况,对5种下环间隙下的混流式水轮机模型机进行三维全流道数值计算。通过对比不同下环间隙方案对混流式水轮机效率与容积损失的影响,结合不同水轮机内部流场特征,分析下环间隙与水轮机性能的关系。计算结果表明:下环间隙由0.4 mm增大到1.3 mm,机组泄漏量增大,水轮机效率整体呈下降趋势。其中,当机组在小流量0.6 Qd工况运行时,间隙对水轮机能量特性影响最为明显,效率下降了4.1个百分点。当机组在小流量0.6 Qd与0.8 Qd工况运行时,下环间隙增大,间隙内部流场与尾水管内部流场呈现小幅度恶化;当机组在大流量1.2 Qd工况运行时,下环间隙增大,转轮叶片吸力面压力分布以及尾水管内部流场均得到改善。该研究可为混流式水轮机结构设计提供有效参考。     

浓缩风能型风力发电机迎风调向系统研究

风力发电机的迎风控制对于保证其正常发电十分重要。浓缩风能型风力发电机具有起动风速低、发电时间长、发电质量好的特点。该机型独特的结构和形体流场决定了必须为其配备一套专用的控制系统来保证其正常运行。根据浓缩风能型风力发电机的形体结构，设计了由直流减速电动机，蜗轮蜗杆减速机等组成的大传动比机械传动机构和基于89C51单片机的闭环控制系统。整个系统可在风向变化超过±15°时自动迎风，风速大于25 m/s时顺桨停机，达到了设计要求。在程序设计中考虑了电缆缠结及解缆，可以使风电场管理人员在较长的时期内不必检查电缆缠结情况，简化了风力发电机的维护。该系统可应用于浓缩风能型风力发电机的中、大型并网发电机组。     

多种载荷作用下H型垂直轴风力机叶片的结构优化

为改善时变载荷下H型垂直轴风力机叶片的结构性能,通过FSI映射准确、实时地提取气动力并进行多种荷载耦合作用时的多目标结构优化设计。分别应用解析法和有限元法求解构件弯曲变形的应力分量与强度比,比较计算结果验证有限元分析过程的正确性。将坐标旋转变换和缩放横纵坐标系数相结合进行NACA0021翼型尾缘改型,并使翼型中弧线位于风轮圆周上,获得有弯度的尖尾缘翼型NACA0021SC。利用APDL语言建立新翼型叶片的参数化模型,采用FLUENT软件计算其表面实时压力分布,基于FSI映射方法获得气动力。以叶片的质量最小同时层合板强度比最大为设计目标,利用惯性权重余弦自适应和学习因子动态调整改进粒子群算法,进行重力、离心力、气动力共同作用下叶片结构的多目标优化。结果表明:单叶片在各方位角下优化后,质量分别减小13.70%,11.85%,8.09%和9.60%,最大位移、最大应力、最大应变和强度比倒数的最大降幅为9.34%、20.71%、23.77%、9.38%;风轮优化后,质量、最大位移、最大应力、最大应变和强度比倒数最大值减小7.51%、1.90%、8.50%、20.20%和16.11%。研究结论可为风力机叶片在考虑时变载荷影响下的结构优化设计提供指导。     

Map of bird sensitivities to wind farms in Scotland: A tool to aid planning and conservation

Government targets for renewable energy have led to a huge increase in wind farm proposals. Because of its high wind resource, Scotland has more proposed wind farms than any other UK country. Scotland’s upland habitats support many birds of conservation concern, leading to potential conflict with wind farms.To help reduce this conflict, a map of bird sensitivities has been created to guide the location of onshore wind farms in Scotland, based on distributions of 16 bird species of conservation priority and statutory Special Protection Areas. The likely sensitivity of each species to wind farms was assessed from literature, based on foraging ranges, collision risk and sensitivity to disturbance. This information was used to buffer species’ locations to identify areas of ‘high’ or ‘medium’ sensitivity. Individual species maps were converted to 1-km square resolution, and a composite map for all species created by selecting the highest sensitivity rating for each square.The map indicates greater bird sensitivity in northwest Scotland, particularly the Highlands, Western and Northern Isles. Overall, 37% of Scotland is classified as ‘high’, 25% as ‘medium’ and 38% as ‘low/unknown’ sensitivity. The overlap of the mapped species with proposed and existing wind farm developments was assessed and species for which cumulative effects of multiple wind farms are of particular concern identified. Within a Scottish context, bean goose, red kite and hen harrier showed the greatest overlap. Applications and limitations of the approach are discussed.     

混流式水轮机特性曲线在多重边界条件下的分区方法

完整的水轮机特性曲线是水电站运行仿真和过渡过程计算的基础,然而厂家提供的水轮机模型综合特性曲线仅反映了水轮机高效率区域的特性,不能满足水轮机动态过程仿真需求。该研究提出了一种扩展方法:首先以零转速、零流量、飞逸曲线、零开度线、单位力矩交点为边界条件,作为划分特性曲线区域与约束各分区延拓范围的特征点,并依据内特性模型和外特性数据辨识水轮机结构参数,计算边界条件;然后针对不同区域的特点,提出不同拟合方法得到各区的特性曲线;最后对分区界线两侧拟合结果进行平滑连接,形成完整的可用于仿真分析的混流式水轮机特性曲线。对某水轮机进行实例分析,与典型外特性法和内特性法的对比表明,本文方法既保证了外特性试验数据处的拟合精度,又能反映水轮机的水力特性;与典型外特性法进行过渡过程实测反演对比可知,本文所提方法将最大蜗壳压力的相对误差从2.03%降至1.69%,小开度工况下区域平均蜗壳压力的相对误差从3.48%降至1.47%,动态过程时域响应更接近实测结果。本文特性曲线处理方法有利于提高过渡过程计算精度,也可为类似叶片式农业机械的设计及特性曲线处理提供参考。     

低空急流对近地表风力机械结构载荷的影响

为分析低空急流对风力机械结构载荷的影响,该研究采用谐波叠加法对低空急流谱模型进行计算以生成大气入流,并基于叶素动量理论和几何精确梁方法对一台高度为270 m的15 MW风力机进行载荷分析。结果表明,低空急流在风力机高度范围内的速度剖面呈现射流和强剪切的耦合特征;低空急流最大可使风轮功率增大约40%,风轮俯仰力矩增大50%,风轮偏航力矩增大1.5倍,塔基偏航力矩的波动强度增加60%;同时,还会造成风轮偏航和俯仰力矩功率谱特性呈双阶梯型分布特征;当急流高度低于轮毂高度时,风力机俯仰力矩促使风轮向下倾斜,会增加风力机叶片打塔风险。因此,在低空急流多发地区安装风力机等高耸结构物时,应充分考虑低空急流对风力机结构载荷特性的影响。研究可为风力机在内的大尺寸高耸结构物的载荷安全性分析提供参考。