考虑粗糙度敏感位置的钝尾缘翼型气动性能研究

针对考虑粗糙度敏感位置的风力机翼型钝尾缘改型前后的气动性能进行研究,揭示钝尾缘改型对表面粗糙翼型增升效果的影响规律。基于k-ωSST湍流模型,计算表面光滑与粗糙的S822翼型的升、阻力系数,并与试验结果进行比较;采用坐标旋转变换与缩放横纵坐标系数相结合的方法,建立钝尾缘改型型线数学表达式,分析对称钝尾缘改型増升效果得到S822翼型的最佳尾缘厚度;研究吸力面和压力面布置粗糙度时翼型的气动性能,获得上、下翼面的粗糙度敏感位置;对具有粗糙度敏感位置的翼型按最佳尾缘厚度进行钝尾缘改型,计算改型前后翼型的升、阻力系数和升阻比,并分析尖、钝尾缘翼型的粗糙度敏感性。结果表明:翼型进行钝尾缘改型的最佳尾缘厚度为2%弦长;吸力面和压力面的粗糙度敏感位置分别为距前缘1%弦长和5%弦长处;钝尾缘改型使升力系数和最大升阻比均明显升高,显著改善了表面粗糙翼型的气动性能,且尖、钝尾缘翼型的粗糙度敏感性综合指标值为10.68%和8.15%,降低了翼型对粗糙度位置的敏感性。研究结论可为表面粗糙风力机叶片翼型的设计和优化提供指导。     

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。     

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。     

基于双椭圆弧型中弧线的系列翼型设计方法

为了能够方便快捷的设计和修改翼型,采用两段椭圆弧来构造翼型的中弧线,并推导了描述中弧线的方程式。用该方法构造的中弧线光滑连续,且不存在拐点。选用现有翼型的厚度分布,与中弧线分布函数进行叠加,并引入厚度比例因子来实现对厚度的调整,最终得到了一种基于双椭圆弧型中弧线的翼型设计方法,称之为DEA(double ellipse arcs)翼型。选用Clark-Y翼型作为基础翼型,设计了多款DEA翼型,并利用X-foil软件对翼型气动性能进行求解,分别研究了最大相对弯度、最大弯度相对位置、最大相对厚度以及翼型中弧线的形状因子对翼型气动性能的影响。研究表明:增加最大相对弯度,可以提高翼型的升力系数,同时使翼型的升阻特性得到一定的改善;最大弯度位置前移,可以提高翼型在小攻角下的升力系数,同时增加翼型高效升阻比的攻角范围;增加最大相对厚度可以提高翼型的最大升力系数,以及增大失速攻角,同时,高效升阻比的攻角范围也随着翼型最大相对厚度的增大而增加;中弧线前、后缘形状因子对翼型气动性能的影响相对较小。     

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。     

偏航角对风力机气动性能的影响

偏航工况水平轴风力机存在典型的动态特性,为了提高动态载荷特性的预测精度,该文采用计算流体力学方法(computational fluid dynamics,CFD)研究了MEXICO(model experiments in controlled conditions)风轮在偏航角0、15°、30°、45°工况下的整机气动性能。数值模拟得到的叶片截面压力系数分布、载荷系数随方位角变化规律以及轴向入流时速度分布与试验测量值均吻合较好。当偏航角在30°以内时,采用CFD方法计算的轴向载荷系数的相对误差在±5%以内,切向载荷系数的相对误差在±15%以内;当偏航角达到45°时,轴向载荷系数的相对误差超过±15%,切向载荷系数的相对误差接近±30%,同时偏航运行时速度分布与试验测量相差较大。偏航运行时叶根处的翼型升阻力迟滞特性较叶尖处显著,但叶根处攻角变化范围小于叶尖处。采用动量叶素法进行风力机性能预测时必需充分考虑该特性。该研究为工程预测模型的建立和偏航工况风力机设计运行提供了参考。     

螺旋型垂直轴风力机的气动性能研究及结构参数优化

在H型垂直轴风力机的研究基础上,针对其启动性能较差、风能利用系数低等问题,提出了一种螺旋型垂直轴风轮。首先基于流管模型通过MATLAB编程对其性能开展了粗略分析,然后通过Fluent软件对螺旋型风轮进行了数值模拟,研究了风轮结构参数对其气动性能和启动性能的影响规律,并将优化的螺旋型风轮与同扫掠面积的H型风轮进行了对比。结果表明螺旋型风轮在旋转一周过程中,力矩系数波动幅度不超过40%,且力矩系数均为正值,利于其启动;此外,螺旋型风轮的风能利用系数也较H型风轮高2%~3%,尤其是在叶尖速比较低的情况。该文提出的螺旋型风力机较之H型风力机,在旋转过程中力矩系数变化小,在4 m/s风速即可启动,拓宽了可利用的风能范围,在低风速区域更适用,且整体风能利用系数也能有所提升。     

沼气发动机进气均匀性数值分析

开发大功率气体燃料发动机,利用沼气等绿色能源发电已经成为当前内燃机行业发展的重要课题之一。气体发动机对各缸进气均匀性的要求较高,气体发动机经常出现各缸进气不均匀的现象,从而影响发动机的动力性、排放性和可靠性。该研究利用数值分析方法求解,模拟CW6200型气体发动机进气系统内的流动情况,通过分析流动区域的压力场、速度场等参数对各缸进气均匀性进行了评价,同时分析了进气系统的流动阻力,优化设计了发动机的进气系统结构参数。数值分析及发动机性能试验表明：采用两级谐振系统后各缸流动不均匀性绝对值小于3%,各缸排温不均匀性绝对值小于2.5%,发动机动力性较好。因此,两级谐振系统可以有效改善进气总管预混式气体发动机的进气均匀性,提高发动机性能。     

考虑轴向间隙影响的挖泥泵轴向力数值分析

转子所受的轴向力是关系到离心泵运行稳定性的重要问题,轴向力的大小和方向与离心泵的水力设计、结构设计中的许多参数都有相关性,其中叶轮盖板与蜗壳泵盖之间的轴向间隙是关键影响因素之一。为了量化地探究不同流量下轴向力特性与轴向间隙尺寸之间的关系,该文基于雷诺时均方程(Reynaolds-averaged Navier-Stokes equations,RANS),采用剪切应力传输(Shear Stress Transport)模型,即SST k-ω湍流模型,对一个前盖板含有后弯式副叶片的离心式挖泥泵进行了全流道数值模拟。考虑侧腔流域的多相位定常流动数值模拟得到了与试验测量结果非常吻合的外特性计算结果,各性能参数的计算误差均在5%以内。对该泵在3种轴向间隙下的外特性及轴向力变化规律进行了计算分析,结果表明:随前间隙的增大,泵的效率明显下降,扬程有不同程度的降低,轴功率变化不大;前、后盖板外表面所受轴向力随轴向间隙和流量的改变均有不同程度的变化,而叶轮内流道所受轴向力则基本不变,可视为定值;后盖板所受轴向力的绝对值最大,对总轴向力的方向及变化规律起着决定性作用,叶轮内流道所受轴向力的绝对值最小。随着前间隙的增大,前后盖板上的压力分布越来越均匀,而前后盖板上的速度沿径向均匀分布,基本不受轴向间隙变化影响。因此,在离心泵的水力设计中应综合考虑外特性、轴向力及加工成本,尽量减小前轴向间隙尺寸。本研究可为离心泵的优化设计提供参考。     

轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响

针对轴流式水轮机叶片几何形状差异对水轮机的运行性能和运行范围产生的影响,研究了轴流式水轮机不同叶片进水边形状与水轮机性能参数之间的关系。在相同叶片安放角的情况下,对具有3种不同叶片进水边形状的轴流式模型水轮机进行数值研究。研究结果表明:在相同的叶片安放角的情况下,不同的叶片进水边形状不仅可以改变流道中从轮毂到轮缘的流量及环量分配;而且能够有效的改善叶片正背面压力分布,减小转轮内部的低压区,提高水轮机效率及空化性能;同时不同的水轮机进水边形状可以调节水轮机运行范围。研究结果可为水轮机的优化设计提供理论指导。     

叶片低压边厚度对水泵水轮机空化性能与强度的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3种具有不同厚度的叶片,厚度差异主要在叶片低压边位置;然后采用数值模拟方法对3种翼型转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下具有不同叶片低压边厚度的转轮的空化形态及流动特征;最后采用有限元方法对转轮叶片强度进行了校核。研究表明:3种叶片低压边厚度分布规律的转轮均满足强度要求。空化性能方面,水轮机42%出力工况下,翼型2转轮不发生空化;88%出力工况、100%出力工况和水泵大流量工况下,随着叶片低压边的厚度的增大,空化越剧烈;水泵小流量工况与设计工况下,转轮的空化程度并不因低压边厚度的增大而加剧,而是水泵设计工况下,低压边厚度相对最大的翼型3叶片头部绕流平顺,空化性能相对较好,其他2种翼型由于头部出现脱流和漩涡,出现严重空化。     

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。