叶片前缘磨损形貌特征对风力机翼型气动性能的影响

根据实际风电场中风力机叶片前缘磨损在不同阶段的形貌特征,通过对DU 96-W-180风力机翼型前缘进行改型,建立几何模型,结合SST k-ω湍流模型求解RANS方程,分析了翼型的升力、阻力及流场特性,研究了风力机翼型前缘磨损形貌特征对其气动性能的影响。结果表明,前缘磨损特征为砂眼和小坑时,对翼型的升、阻力系数影响较小;而前缘磨损特征为脱层时,对翼型的升阻特性影响显著,尤其随着攻角增加,升力系数大幅减小,阻力系数急剧增大,并且随着磨损的加剧,减小和增加的幅度逐渐增大。前缘磨损加剧了翼型吸力面尾缘附近的流动分离,使分离点前移;砂眼和小坑对气流在翼型前缘的流动影响较小;脱层对翼型前缘附近流动影响很大,导致翼型表面出现台阶流,气流绕过台阶先发生分离,然后再次附着翼型表面流动。     

风沙对风力机翼型绕流及其气动性能的影响

中国西北地区风能资源丰富,然而该地区经常遭受沙尘天气的侵袭。风力机在强风沙环境下运行,其气动性能难免会受到沙尘的影响,并且其叶片会受到比较严重的磨损,导致机组的出力明显下降。翼型作为风力机叶片的基本组成单元,沙尘颗粒对翼型的绕流和气动特性的影响研究显得尤为必要。该文利用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟(large eddy simulation)混合方法中的延迟分离涡模拟方法,模拟了NREL S809翼型在风沙环境下的流动特性,将不同颗粒直径条件下翼型周围的绕流情况和翼型的气动性能进行了对比,研究了空气中的颗粒对风力机翼型绕流及其气动性能的影响规律。结果表明,6.1?攻角时,颗粒对翼型绕流和升力系数的影响较小,但仍会使翼型的升力系数略微降低。随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数先减小再增大,其中颗粒直径为20μm时达到最小值。当颗粒直径为150μm时,其升力系数仍小于洁净空气下的升力系数,但两者已十分接近。8.2?攻角时,不同直径颗粒对翼型绕流具有不同程度的影响,当颗粒直径小于20μm时,颗粒的跟随性较好,颗粒紧随气相运动,对翼型绕流的影响较小;当颗粒直径为20μm时颗粒对翼型绕流造成了极大的影响,如分离点提前、出现展向流动;当颗粒直径大于20μm后,随着颗粒直径的继续增大,颗粒的惯性力变强,颗粒逐渐独立于气相运动,对翼型绕流的影响也逐渐减弱。升力系数随颗粒直径的变化趋势和小攻角时相同,但变化幅度变大,升力系数最小时比洁净空气时减少了7.9%。该文可为不同颗粒直径的风沙环境下颗粒对翼型周围绕流流场及其对翼型升力系数影响等相关研究提供参考。     

风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性

大气湍流是风力机非定常特性的主要诱因,该研究基于CDRFG（consistent discretizing random flow generation）方法生成湍流入口边界,采用大涡模拟（large eddy simulation, LES）研究风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性。结果表明：翼型前缘区域对湍流来流较为敏感,而中部及尾缘区域几乎不受湍流的影响。攻角分别为2°、8°和14°时,吸力面从前缘点到约0.5、0.3和0.1倍弦长位置处表面压力的标准差较均匀来流时幅值增大,表明小攻角时翼型吸力面上压力脉动受湍流影响的区域较大。来流湍流强度分别为9.3%、6.5%和4.8%时,2°攻角下翼型升力系数的标准差是其均匀来流时的6.36、5.42和4.90倍;8°攻角下是其均匀来流时的3.95、3.33和3.02倍;14°攻角下是其均匀来流时的1.78、1.63和1.40倍;表明小攻角时湍流引起的升力系数脉动特性较大攻角时更加显著。翼型前缘点脉动压力的功率谱曲线与湍流来流速度的功率谱曲线在整个频域区间趋势一致,表明前缘点压力的脉动特性主要取决于湍流来流的脉动特性,沿翼型弦向逐渐往后,吸力面上的压力脉动只在低频区域对湍流来流有响应,而高频处的压力脉动取决于自身的流动特性。研究结果可为降低机组功率波动和非定常载荷提供参考。     

颗粒参数对螺旋离心泵流场及过流部件磨损特性的影响

为了研究颗粒参数与螺旋离心泵过流部件表面磨损特性的影响,该文结合数值计算与试验方法,分别引入Mclaury和OKA 2种磨损预测模型对螺旋离心泵内固液两相流场进行求解,并将2种模型中所包含的关联因子函数进行了推导和分析,建立了颗粒参数与过流部件表面磨损的内在关联。结果表明:所采用的数值计算模型准确性较好,相对误差在可接受范围内;叶片工作面的磨损主要集中在叶片头部和螺旋段轮缘附近,叶片背面磨损主要发生在叶轮离心段,蜗壳内壁主要磨损区域为隔舌和靠近出口断面附近;颗粒粒径在0.05~0.16 mm范围内,粒径的增加促进磨损,而当粒径大于0.16 mm后,磨损增长放缓;颗粒体积分数在3%~6%范围内,颗粒体积分数的增加会加剧磨损,而从6%增加到7%时,隔舌处磨损持续增加,在周向角度为101°~326°的截面范围内,颗粒体积分数的增加会抑制蜗壳内壁磨损;颗粒速度与磨损呈正相关,且对磨损的影响较大,不同速度下蜗壳内壁各部位的磨损率变化趋势相近。在此基础上,给出了固液两相流泵水力设计和结构设计的优化方向,该文为提高两相流泵抗磨损性能提供了参考。     

腐殖酸和pH对典型轮胎磨损颗粒迁移行为的影响机制

轮胎磨损颗粒（tire wear particles, TWPs）作为微塑料（microplastics, MPs）的重要种类之一，当下其生态风险已受到生态学家的高度重视。通常，颗粒型污染物的环境行为过程是其生态风险的重要影响因素。然而，TWPs在土壤等多孔介质中的迁移过程及影响机制至今尚未见报道。选择冷冻破碎制备的C-TWPs（冷冻破碎轮胎磨损颗粒）以及道路磨损产生的R-TWPs（滚动摩擦轮胎磨损颗粒）和S-TWPs（滑动摩擦轮胎磨损颗粒）为典型研究对象，以石英砂柱来模拟研究TWPs在土壤等环境多孔介质中的迁移行为，并探究天然有机物腐殖酸（HA）及不同pH（4、7和10）环境对以上三种类型TWPs迁移行为的影响。结果显示：HA（50 mg?L-1）能够显著增强三种类型TWPs的迁移性，并且在HA（50 mg?L-1）存在下，不同pH（4、7和10）对TWPs迁移行为影响不同，中碱性环境（pH=7/10）更有利于TWPs的迁移。主要原因在于，HA存在或（和）中碱性环境有利于（同时）增大TWPs和石英砂颗粒表面的Zeta电位值（绝对值），此时，一方面TWPs的分散性得到改善，有较小的粒径分布，另一方面增加了TWPs和石英砂颗粒间的静电排斥力，有助于TWPs的迁移。值得注意的是，HA存在和不同pH环境条件下，低温破碎制备的C-TWPs的迁移性较R-TWPs和S-TWPs强，主要由于C-TWPs制备时携带有较多的负电荷、较小的等电点和较强的疏水性，上述性质也可促使其吸附更多的HA，从而加强其电负性；而R-TWPs和S-TWPs由于粘附了道路矿物、金属盐或灰尘而减弱以上性质，表面具有较小的电负性。研究结果揭示了不同类型TWPs在自然界中地球化学迁移行为的差异性，并暗示了研究源头性质（排放方式）以确定同种材质微塑料环境行为及生态风险内在差异的必要性。     

风力机运行对稀相颗粒输运特性的影响

风力机的运行环境复杂多样,海上盐雾、雨滴、沙尘等（体积分数小于10-6）的稀相颗粒流场是当前海、陆风力机经常面临的工作环境,然而风力机运行对稀相颗粒输运特性的影响尚不明晰。该研究采用风洞试验的方法,研究风力机对稀相颗粒输运特性的影响规律。该试验中,风为载流体,沙粒作为惯性颗粒,分别测量了0～100、>100～200、>200～300 μm粒径沙尘在距离风轮平面后1d、2d、3d、5d、8d（d代表风轮直径）处的输沙通量分布。研究发现,三组粒径条件下在1d断面位置处风力机的输沙通量随高度增加出现3次先增大后减小的变化,风力机运行改变了沙尘的输运特性,叶尖高度处出现沙尘聚集现象,叶根高度处的输沙通量则被削弱;通过对比三组粒径条件下风力机的阻沙量发现,叶尖位置>100～200 μm粒径下风力机的阻沙量最多,0～100 μm粒径下风力机的阻沙量次之,>200～300 μm粒径下风力机的阻沙量最少,体现了叶尖涡对不同粒径沙尘颗粒的选择性聚集;对比不同断面位置风力机的输沙通量发现,随着输运距离的增加,风力机尾流逐渐恢复,输沙通量也逐渐减小;总体来看,风力机的存在阻碍了沙尘的输运,且对>100～200 μm粒径的颗粒阻碍作用最大。该试验结果揭示风力机对风沙输运特性的影响特征并对海上盐雾颗粒输运研究具有借鉴意义。     

土壤颗粒分布体积分形维数与数量分形维数之间的关系

土壤的体积颗粒分布(PSD)可用于同时确定数量分形维数(DN)和体积分形维数(DV)。以往的试验和理论研究均未直接比较DV和DN的关系。为建立DV和DN的关系并分析其参数的敏感程度,在中国各地取了12种不同质地土壤,利用激光粒度仪进行了测定。提出了含3个参数Rupper(颗粒半径的上限),Ri(第i个半径)和Rlower(半径下限)的DV-DN理论关系,该关系可说明为什么DN可能大于3。在未调整的幂定律范围内(PLR),DV的幂定律半径为38.6～85.8μm,DN的幂定律半径为53.2～358μm,估算的DV值(2.18～2.69)比DN值(2.38～3.19)小。调整后的PLR比未调整的窄。在调整的PLRs范围内,估算的DV值变化范围为2.11～2.56,而DN变化范围为2.28～3.02。调整和未调整PLRs得出的DV和DN的差异说明,Rupper,Rlower,Ri和Rlower/Rupper均可能影响DV与DN关系,有必要进行参数的敏感性分析。进行敏感性分析可基于敏感系数(C)来鉴别DV-DN关系中各参数改变所引起的DV和DN相对变化,从而找出对该关系影响最大的参数。就不同情况下计算的C值而言,Rupper是影响DN值的最重要参数,小的Rupper值可能导致估算DN的准确度降低。PLR范围越大,DN的估算越准确。根据DV估算DN的相对误差的绝对值在12%范围内,说明得出的DV-DN理论关系是正确的。     

黄土区不同施肥对土壤颗粒及微团聚体组成的影响

采用野外采样与室内分析方法,运用颗粒体积分形理论,研究了15年长期不同施肥处理对黄土区农田土壤颗粒组成、 微团聚体分布及有机碳的影响。结果表明,施肥处理对020 cm土层影响较大,不同施肥处理土壤颗粒及微团聚体的优势粒级均为0.02~0.05 mm。有机肥（M）、 磷肥（P）、 有机肥和氮肥配施（MN）、 有机肥、 氮肥和磷肥配施（MNP）处理可显著提高020 cm土层0.1~0.2 mm土壤颗粒的百分含量,有机肥和磷肥配施（MP）以及MNP处理有利于该土层大粒径土壤微团聚体的形成。氮肥和磷肥配施（NP）处理的土壤分散率最大,M处理最小。不同施肥处理土壤颗粒体积分形维数差异不显著。相关性分析表明, 020 cm及2040 cm土层土壤颗粒体积分形维数与粘粒（0.002 mm）和细粉粒 （0.002~0.02 mm） 呈极显著正相关,与粗粉粒 （0.02~0.05 mm） 和细砂粒 （0.05~0.2 mm）极显著负相关; 土壤团聚度与0.05 mm各粒径土壤团聚体显著或极显著负相关,与 0.05 mm各粒径土壤团聚体显著或极显著正相关。020 cm土层土壤有机碳与0.01~0.05 mm各粒径土壤团聚体显著或极显著负相关,与0.1~0.5 mm各粒径土壤团聚体极显著正相关。     

沙柳沙障对沙丘土壤颗粒粒径及分形维数的影响

统计分析了库布齐沙漠流动沙丘、设置沙柳活沙障和死沙障沙丘的土壤颗粒粒径分布、分形维数及其与土壤砂粒(>0.05 mm)、粉粒(0.05~0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量的关系。结果表明:与流动沙丘相比,设置沙障沙丘的粉粒和黏粒含量增加,且随着土层的加深而表现为下降趋势,不同部位则均呈沙丘下部>上部>中部的趋势。土壤颗粒分形维数因设置沙障而呈增大趋势,且表现为活沙障沙丘>死沙障沙丘>流动沙丘;垂直分布上,设置沙障沙丘的土壤分形维数随土层加深而逐渐减小,而流动沙丘表现为表层与下层大而中层小的特征,沙丘不同部位的分形维数则均表现为沙丘下部>上部>中部。土壤颗粒分形维数大小与土壤质地的细粒化有一致的变化趋势,且与砂粒含量呈极显著负相关关系,而与黏粒含量、粉粒含量呈极显著正相关关系。<0.05 mm粒径物质含量的增加和>0.05 mm粒径物质含量的降低共同导致了土壤颗粒分形维数在设置沙障后的增大。     

耕层土壤颗粒表面的分形维数及其与主要土壤特性的关系

四川 1 6个耕地表层的土壤颗粒表面分形维数D为 2 80 5～ 2 942 ,其中砂土2 82 1、壤土 2 870、粘壤土 2 91 6和粘土 2 939。统计分析表明D分别与国际制粗砂粒和细砂粒含量呈极显著负相关 ,与粉粒和粘粒含量呈极显著正相关 ;它与粉粒、粘粒和有机质含量的偏相关关系达极显著水平 ,与容重的偏相关关系达显著水平     

基于海鸥翼型的小型风力机叶片仿生设计与试验

针对现有小型风力发电机效率远低于理论值问题,对100 W水平轴风力机叶片进行仿生改进。采用Spalart-Allmaras模型分析不同攻角下海鸥翼型与标准翼型的气动特性;以标准100 W水平轴风力机叶片为原型,结合海鸥翼型、标准弦长和计算得出的安装角,设计得到仿海鸥翼型叶片;利用SST k-ω模型进行仿海鸥翼型叶片与标准叶片气动特性数值模拟;搭建室内风力机效率测试平台,进行仿海鸥翼型风力机与标准风力机效率对比试验。结果表明:海鸥翼型气动性能优良,最大升力系数是标准翼型的2.19倍,最大升阻比是标准翼型的1.34倍;仿海鸥翼型叶片与标准叶片相比,输出功率提高25.77%。该研究可为小型风力发电机的改进设计提供参考。     

基于土壤粒度和大风日数的风蚀风险预报

为寻求一种较为简便、广泛适用的土壤潜在风蚀风险评价方法体系,选取内蒙古中西部的吉兰太戈壁、乌兰布和半固定沙地、毛乌素沙地、武川农田和希拉穆仁草原5种典型风蚀试验区,基于数字图像技术,获取地表不可蚀颗粒含量,结合地区大风日数资料,建立土壤潜在风蚀风险指数方程,并进行实地验证。结果表明:吉兰太戈壁、灌丛地表已经处于粗化过程后期,抗风蚀能力较强,平均抗风蚀指数分别为91.40%和81.40%。由于灌丛群落的存在,乌兰布和沙漠半固定沙地土壤颗粒空间分布差异明显,导致土壤抗风蚀能力呈现不同程度的差异。毛乌素沙地风成沙物质颗粒较细,抗风蚀指数仅为13.40%,极易起沙。应用土壤潜在风蚀风险方程实地表征所得结果与实际情况吻合,与人类活动关系最为密切的农田、草原土壤潜在风蚀风险最高。研究结果可实现科学、有效地预测地表潜在风蚀风险,为干旱、半干旱地区风蚀荒漠化监测提供理论依据和技术支撑。     

风力机分离式尾缘襟翼气动性能

为了提高风力机的捕风能力,确定最佳的翼型结构,该文以风力机翼型S809为研究对象,设计了S809分离式尾缘襟翼模型,对翼型主体与襟翼之间缝隙进行了局部优化处理,利用AUTOCAD建立了分离式尾缘襟翼几何模型。进而采用计算流体力学方法,对0攻角下,0~16°不同襟翼偏转角的襟翼模型进行了气动性能计算,并对翼型周围流场的压力云图、流线图、压力系数分布进行了理论分析。结果表明:分离式尾缘襟翼结构设计合理,襟翼与主体之间的缝隙对翼型气动性能的影响很小;尾缘襟翼偏转增大了翼型弯度,提高了翼型的升力,随偏转角增大,翼型升力系数及升阻比增大,偏转角在14°时翼型的升阻比最大,为进一步研究分离式尾缘襟翼综合气动性能打下了基础。     

浓缩风能型风力发电机改进模型流场与功率输出特性(简报)

浓缩风能型风力发电机的流场具有特殊性,它的流场特性直接影响该类型风力发电机的性能。浓缩风能型风力发电机改进模型是由相似模型改进而成。采用车载法对改进模型的流场特性进行了试验并与原相似模型比较,研究表明：改进模型中央圆筒叶轮安装处流速增至来流流速的1.38倍,比原模型提高了5.34%;气流动能增至来流风能的2.65倍。采用车载法对改进模型功率输出特性进行了试验,当自然风速为 10.83 m/s时,叶轮转速额定,叶轮风能利用系数Cp为0.182,机组输出功率117.6 W,此时发电机效率为0.655,试验结果证明：叶轮安装处风速是前方相同面积来流风速的1.37倍,气流动能增至来流风能的2.57倍。试验为浓缩风能型风力发电机叶轮设计提供了重要依据。     

干旱区土壤结皮对风蚀影响的风洞模拟研究

土壤结皮在干旱半干旱地区广泛分布,是影响风蚀的重要因素。以准葛尔盆地东部矿区周边表层土壤为对象,通过控制土壤结皮率和结皮分布,利用风洞试验结合土壤风蚀传感器,对不同土壤结皮和风速条件下土壤风蚀量、风沙流结构、土壤颗粒释放的变化特征进行了研究。结果表明：(1)风蚀量随风速增加显著上升,随土壤结皮率增加显著下降。均匀分布的结皮风蚀量整体低于集中分布的结皮;(2)风沙流高度随风速增加而增加,高度在0-3cm的收集物占总的80%左右。14m/s的风速能够使土壤发生跃移,而土壤结皮率达到50%能够有效抑制土壤颗粒跃移现象;(3)颗粒碰撞的数量与能量随风速的增加而增加,随结皮率增加而减少;首次出现颗粒碰撞时的风速随结皮率的增加而增加;颗粒碰撞的数量和能量在风速持续增加的时间段内增加至最大值,在风速稳定后开始下降,120s左右降低至稳定值,随后不再发生明显起伏,在风速下降时间段内不发生颗粒碰撞。     

作物残茬与生物篱组合对减轻土壤风蚀的作用

为了探究中国北方农牧交错带冬春风蚀季节生物篱与作物残茬组合对间作裸露秋翻地的防护作用,采用风蚀圈和野外移动式风洞试验的方法对研究区土壤风蚀情况进行监测,利用PC-3型自动气象站进行风速测定。结果表明,油葵秆生物篱减小了间作裸地近地面风速,提高了地表粗糙度;从防风蚀效果看草谷子茬优于油葵秆生物篱;在距油葵秆生物篱或草谷子茬下风向裸地不同位置处,土壤风蚀量基本呈先增加后减小的单峰曲线变化趋势,在4 m左右土壤风蚀量最大,在篱和茬的双重保护下,距茬5 m处发生了风积现象;土壤风蚀量降低率基本呈“V”字型分布;土壤风蚀模数随风速增大而增加,在生物篱的保护下5～15 m/s风速时土壤风蚀降低率为5.03%～20.53%。因此,油葵秆生物篱具有防风蚀作用,而且与草谷子残茬组合对间作裸地会起到更好的固土防蚀作用。     

土壤含水率及物理性砂粒含量对风蚀模数影响的风洞模拟

为了探究土壤含水率及物理性砂粒含量对土壤风蚀模数的影响,在室内风洞中在5、6、9、12、15和18m/s风速下对不同含水率(0,1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%,8%,9%和10%)的7种土壤(物理性砂粒质量分数的分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%)进行了10min吹蚀,在风洞轴线距出口1.2m处放置旋风式集沙仪分别测定垂直方向上10个不同高度的风蚀物收集量(高度分别为20、60、120、180、240、300、400、500、600和700mm),并利用MATLAB7.4.0(R2007)软件采用3次样条插值拟合法对旋风式集沙仪不同高度的风蚀物收集量进行积分,通过换算计算土壤风蚀模数E。结果表明,物理性砂粒质量分数低于40%的土壤在各种水分条件下集沙仪不同高度风蚀物收集量均很小。物理性砂粒质量分数≤20%时,风蚀物收集量在空间上符合指数函数变化规律;20%<物理性砂粒质量分数<40%风蚀物收集量在空间上利用指数函数和幂函数拟合相关性均很好,物理性砂粒质量分数高于40%后,风蚀物收集量在空间上呈现幂函数曲线变化规律。9m/s风速基本上是风蚀物空间动态发生变化的临界点;低于临界风速,风蚀物收集量与高度符合指数曲线变化规律;高于临界风速,二者符合幂函数曲线变化规律。集沙仪不同高度的总输沙量随风速的增加而增大,二者符合指数曲线变化关系。物理性砂粒质量分数低于40%的土壤,不会有风蚀现象发生;当物理性砂粒质量分数大于40%后,土壤容易发生风蚀,而且风蚀程度随物理性砂粒含量的增加而增大,尤其当土壤含水率低于3%时,极易发生风蚀。风速越大土壤风蚀模数越大,风蚀模数与风速按照指数曲线规律进行变化。阴山北麓旱作区冬春季节土壤地表含水率一般维持在3%～4%,土壤的物理性砂粒质量分数基本在50%～80%;单纯从土壤水分和土壤物理性砂粒含量考虑,阴山北麓旱作区大部分地区是沙尘暴的发生源。     

黄羊滩沙地不同造林措施对植被恢复和土壤风蚀的影响

为给黄羊滩及类似地区流动沙地人工造林提供科学依据,在黄羊滩流动沙地营造不同树种的人工林,探讨不同人工林地天然植被恢复效果和防止风蚀的差异。造林7年后调查资料表明：从物种丰富度衡量,小叶锦鸡儿和侧柏人工林加快了天然植被的恢复进程,新疆杨和欧美杨107人工林延缓了天然植被的恢复进程,沙枣和榆树人工林对天然植被恢复的影响不大;欧美杨107和新疆杨人工林1年生草本占绝对优势,随林地环境条件的改善,1年生草本逐渐减少,多年生草本、灌木逐渐增加,侧柏和小叶锦鸡儿人工林地天然植物种生活型结构已趋于多样化。新疆杨和欧美杨107人工林地处于流动沙地阶段,沙枣和榆树人工林地处于半固定沙地阶段,侧柏和小叶锦鸡儿人工林地处于固定沙地阶段。相同沙漠化阶段林地间天然植被的相似性系数较大,不同沙漠化阶段林地间相似性系数较小。该地区人工造林树种以小叶锦鸡儿和侧柏最佳,沙枣和榆树次之,不宜选择新疆杨和欧美杨107等杨树品种。