偏航工况下潮流能水轮机水动力特性EI北大核心CSCD

真实海域环境中,潮流能水轮机将会遇到主动或被动偏航运行的状况,水轮机在偏航工况下的水动力性能及尾流场特性均会发生较大变化,为充分探究其变化规律,该文首先开展潮流能水轮机非偏航计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,并通过模型试验验证其准确性。随后,进行潮流能水轮机在0~45°偏航角度工况下的水动力性能及尾流场特性研究。结果表明:水轮机的功率及轴向推力载荷下降趋势均会随偏航角度的增加而加快,功率的瞬时波动要远大于轴向推力载荷波动;在0~45°范围内,余弦规则对于功率下降的预测效果比对轴向推力载荷下降的更好,但对两者均存在高估,并且预测偏差会随着偏航角度的增大而先增大后减小;偏航角大于30°后,尾流横向偏移距离不会随着偏航角的增加而继续变大,偏航尾流横向截面分布呈肾形分布,存在上下分布的反向旋涡对,最大速度亏损区域均位于肾形分布的上侧区域。研究结果对水轮机主动或被动偏航工况下的运行控制和阵列布置具有参考意义。     

船舶航向/横摇鲁棒控制研究

高海情下,船舶航向/横摇运动凸显出强耦合、不确定的特性,传统的PID控制存在适应性差的不足;此外,舵在控制航向的同时还具有减横摇的作用,合理的减摇鳍动作也对航向控制有利.为改善船舶航向、横摇控制效果,研究船舶航向/横摇耦合运动不确定模型,采用基于线性矩阵不等式的鲁棒控制器设计理论,对船舶航向/横摇联合控制问题进行研究,并设计和求解控制器.仿真结果表明,高海情下船舶航向/横摇联合鲁棒控制比传统PID控制提高了约20%的航向和横摇控制精度.     

阻力型水平轴水轮机水动力及尾流特性分析

水轮机是水能利用与水力发电的核心技术装备。传统的升力型水平轴水轮机需满足一定流速条件才可获得既定的效率,因此该型水轮机并不适用于流速较低的区域。为了拓展水平轴水轮机的适用范围,依据阿基米德螺旋线原理,设计了两种具有不同旋叶倾角的新型阻力型水平轴水轮机,并采用计算流体力学方法对二者的水动力及尾流特性进行了三维数值模拟研究。结果表明,变角水轮机在尖速比为0.5～2.0的范围内具有更高的功率系数,且其峰值功率系数相比定角水轮机提升了16%。此外,与一些文献中所报道的升力型水轮机在尖速比为0.5～2.0的范围内相比,变角水轮机也具有较高的功率系数。以尖速比为1.5为例,其功率系数相比至少提升了60%以上。与此同时,变角水轮机在全尖速比范围内具有更低的推力系数,但其性能波动比定角水轮机要明显。流场分析显示,两种阻力型水平轴水轮机的后方均出现了呈环状螺旋形的叶尖涡带和呈条状的毂涡带,而变角水轮机的叶尖涡带和毂涡带的连续性更强,向下游发展的轨迹也更长。此外,变角水轮机的尾流恢复比定角水轮机更快。研究结果揭示了阻力型水平轴水轮机的水动力及尾流特性,为其优化设计和推广应用提供了一定的参考依据。     

浮式平台运动对叶片变形及整机性能影响

浮式平台在海洋环境中发生六自由度运动使得叶片周围流场产生剧烈波动，剧烈变化的流场会对叶片动态响应造成巨大的影响。采用CFD-CSD耦合方法对NREL 5 MW风力机进行了双向流固耦合仿真，在此基础上利用UDF技术加入浮式平台运动，研究了平台纵荡、纵摇和艏摇运动下叶片变形情况及整机扭矩和推力变化。研究结果表明：纵荡、纵摇和艏摇这3种典型平台运动会使得叶片变形幅度增大，挥舞和扭转变形增幅要大于摆振变形；纵荡运动对叶片变形及气动性能的影响最大，扭转变形最大变化幅度可达70%，整机扭矩和推力的峰值分别提高了30.51%和11.75%；纵摇和艏摇运动减小了平均扭矩和推力。     

混流式水轮机全流道三维定常及非定常流数值模拟

基于三维时均N-S方程对水轮机内部流动及特性进行三维数值模拟分析,首先采用标准k-e 模型在不同导叶开度工况下对水轮机进行了全流道多部件、动静耦合的定常湍流计算,获得了各工况下各过流部件内及动静部件间的流场,并预测了水轮机的能量和空化性能。在定常湍流计算的基础上,以其作为初始条件应用RNG k-e模型和滑移网格技术进行了水轮机动静干扰的非定常湍流数值模拟,得到了更合理的流场分布结果。该研究对于深入了解水轮机流激振动的内在机理、改善水轮机的综合性能、提高水轮发电机组的运行稳定性具有参考价值。     

船舶舵减摇的H_∞控制设计

针对舵减摇控制系统的特点,提出了一种H∞设计方案.忽略了艏摇特性和横摇特性之间的耦合作用,分析了舵减摇控制系统.采用H∞混合灵敏度的设计方法,从基本的性能要求和鲁棒稳定性要求出发,阐述了舵减摇控制系统H∞设计中权函数的选择依据和确定过程.对所设计的H∞控制器进行了降阶处理,分析了利用积分作用进行相位补偿的设计原理.仿真结果表明,所设计的舵减摇控制系统在相应的频带内具有指定的性能,而且满足鲁棒稳定性要求.对H∞设计结果的详细验证和分析表明H∞设计是一种定量设计,所有的设计要求和指标都可以定量地给出设计结果.     

船舶横摇运动实时在线预报方法

为进一步提高支持向量机预报模型在船舶横摇运动预报中的精确度以及实时性,提出一种利用混沌理论和在线最小二乘支持向量机的实时在线预报方法.在混沌动力系统相空间重构的基础上,采用饱和关联维数法对船舶横摇运动的时间序列进行混沌特性判定,并建立混沌在线最小二乘支持向量机实时预报模型.对某船横摇运动时间序列进行预报,仿真结果表明,...     

真实地形对实尺寸潮流能水轮机影响研究EI北大核心CSCD

在真实的流场下,海底地形会对潮流能水轮机的性能带来不可忽略的影响。以目前安装于舟山国家潮流能示范场的450kW水平轴水轮机为研究目标,以现场真实地形为基础,通过实测流场和水槽实验验证了计算流体动力学方法建立的水轮机模型。在此基础上,对位于水底斜坡上的装置性能及尾流发展进行了考察。研究结果显示,在潮流上坡时,性能提升可达到20%;而在潮流下坡时,水轮机性能出现明显退化,效率衰减约10%,同时轴向负载增加超过5%。此外,水底地形将会显著影响水轮机的尾流发展,尾流会自发向水深更深的区域偏移;随着潮流流速的增加,尾流波及区域也会明显延长。     

基于ARMD和流固耦合的考虑地震载荷的水电机组转动部件强度分析

为更准确、全面地分析水电机组转动部件强度问题,本文基于CFD性能预测方法,对水轮机内部流场进行三维数值模拟,并采用单向流固耦合方法将流场的计算结果作为初始条件加载到结构场,对各部件进行静载和地震载荷下的仿真计算。其中对于结构复杂、刚度阻尼值随运动变化明显的导轴承,采用转子动力学程序ARMD(Advanced Rotating Machinery Dynamics)模拟计算其动力特性系数。研究结果表明:文章采用方法能正确评估水轮机结构强度,对机组灾后运行可靠性分析有一定指导作用。     

X型叶片水轮机转轮流场的数值模拟

X型叶片在最近几年被广泛用于高水头大容量混流式水轮机,其数值模拟对计算机的配置提出了更高的要求。模型的建立和网格的粗细直接影响着水轮机数值模拟的结果和对硬件资源的需求。本文从这两方面着手,解决硬件资源一定条件下的大规模流场计算问题。采用全流道和单流道两种几何模型、三种网格精度对X型叶片混流式水轮机转轮进行数值模拟,对能量特性进行了预估,并分析了转轮内部的流动细节。分析结果表明：单流道计算所得能量特性结果优于全流道计算结果,与实验结果一致,这是由网格的粗细引起的;X型叶片表面压力和速度变化均匀,转轮内流动顺畅,表现出良好的水力性能,与实际情况相符;用单流道模型来代替全流道模型对转轮流场进行数值模拟,可以提高计算精度,节省计算时间,降低计算成本。     

新型漂浮式风力机半潜平台抑制摇荡运动设计研究

漂浮式风力机在海洋环境中易受到风、浪和流载荷作用而影响正常运行,为此设计一种新结构漂浮式风力机半潜平台(新平台),运用水动力学软件AQWA并结合有限元方法,对其在复杂海洋环境下进行数值仿真。并与三浮体三立柱结构半潜平台进行对比分析,得到了两平台频域和时域上的运动响应数据。结果表明:较之三浮体三立柱平台,频域分析中新平台横摇、纵摇及垂荡3自由度响应的最大值和平均值都显著减小,体现了良好的稳定性;新平台的垂荡固有周期增加两倍以上,能更加有效地防止共振现象的发生;时域耦合分析中,新平台横摇、纵摇与垂荡的运动响应大幅度减小,且横摇和纵摇运动响应表现更加明显;谱分析中新平台响应谱峰值同样显著减小,体现了新平台更加优越的波频性能。新平台结构合理可行,拥有良好的稳定性,能有效抑制摇荡运动,可为未来漂浮式海上风力机平台设计提供参考。     

基于格子玻尔兹曼方法的风力机尾流特性研究

为研究风力机尾流特性,采用基于格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)和大涡模拟方法(large eddy simulation,LES),通过壁面自适应局部湍流模型数值模拟New MEXICO (model rotor experiments in controlled conditions)风力机尾流并验证模型。然后研究不同入流湍流强度及动态入流条件下NREL 5MW (National renewable energy laboratory)风力机尾流结构。结果发现：LBM模型准确模拟了实验风力机轴向和径向速度分量及涡量分布,但是叶片中段附着涡耗散偏快;高湍流入流工况下,叶尖涡和叶根涡更早发生破坏;动态入流工况下,风力机尾涡耗散速度随着入流风速增加而变慢,螺旋结构的涡间距增大,尾涡持续距离变长,尾流膨胀效应减弱。入流风速变化10s后稳定,风力机的推力系数保持剧烈波动。     

垂直轴风力机三维气动性能的数值模拟及分析

为深入了解直叶片垂直轴风力机的气动性能,并为垂直轴风力机优化设计提供思路,采用Fluent中的滑移网格技术对垂直轴风力机的流场进行了三维数值模拟。文中分析了该垂直轴风力机风轮流场的变化、风轮同一时刻不同截面处的流场分布特点、同一叶片在一个周期内处于不同相位角时的速度分布特性,并利用力矩系数的监测值及相关计算公式得出该风力机的风能利用系数。得出了垂直轴风力机进入稳定状态后流场变化具有周期性,尾流区域不断变窄,流场分布与所处相位角有关等结论,并在分析的基础上提出了一种在结构上可能具有更优潜质的变形垂直轴风力机。     

基于网格改进的喷动床/喷动流化床气相场数值模拟及试验

采用FLUENT软件时喷动床和喷动流化床这种严格轴对称的柱锥体进行数值模拟时,常见气相场的伪收敛或伪扩散,且出现流场不对称现象.从网格结构的角度,提出了一种采用非一致性网格并沿往体的轴向与锥体入口尺寸相当的区域进行网络加密的改进方法.基于这种网格改进,对喷动床和喷动流化床的气相场进行了数值模拟,并在相应的试验装置上对模拟结果进行试验.结果表明,该网格改进对柱锥体有较好的通用性.     

水轮机空化系数及其对水力性能的影响

水轮机空化系数对水轮机的效率、出力、空化、压力脉动、飞逸转速及轴向水推力等性能均有一定影响,有的工况影响非常大。本文首先介绍了空化系数对能量、空化性能的影响及与其有关的两个空化系数的区别,然后着重介绍了空化系数对压力脉动和飞逸转速的影响,探讨了空化系数对轴向水推力的影响及正确的试验方法。     

窄基钢管塔体型系数的风洞模拟试验研究

窄基钢管塔以占地面积小、经济效益高、谐调人文和自然环境而得到城市规划与建设的关注。采用风洞模拟的方法,制做窄基钢管塔的试验模型,利用风洞模拟均匀流场和均匀紊流场,测量不同风速、来流方向时窄基钢管塔横担、塔身、整塔的受力情况,获得窄基钢管塔各部位的风载荷数据,并依据《钢结构设计规范》将各载荷转换成相应的系数,得到了横担载荷系数、塔身载荷系数及横担升力系数等随来流方向的变化规律。最后,结合试验结果分析了不同设计规范之间的差别,给出了窄基钢管塔设计所需要的体型系数值。     

旋转圆盘涡动过程中的流体力矩试验

本试验模拟了混流式水轮机转轮上冠在不均匀径向间隙情况下产生涡动时所受的流体力矩.通过模型实验和数值模拟研究了混流式水轮机涡动过程中作用在其上冠的转动流体力矩的基本特性.模型实验中水轮机转轮用一个圆盘来模拟,其上冠与外壳之间形成一个很小的轴向间隙.用圆盘圆周和外壳之间的径向间隙来模拟实际水轮机中的密封.内向流由外部水泵供...     

基于动网格技术的混流式水轮机转轮内部瞬态流动数值模拟

水电站过渡过程常常引起水力机组压力脉动、振动和水锤等现象,严重影响电站的安全稳定运行。为了准确捕捉水轮机在过渡过程中的动态特性,本文区别于常规的稳态分析方法,采用CFD计算软件Fluent14.0,利用基于有限体积法的动网格技术对某混流式水轮机的活动导叶和转轮组成的单流道进行了三维瞬态流动数值模拟。真实模拟了在大波动过渡过程中转轮内部流态的变化,分析了导叶关闭过程中转轮内部压力场和速度场的变化过程。计算结果表明:动网格技术能够较好地模拟水轮机转轮内部流场的动态变化,其计算结果为三维过渡过程的研究提供了理论依据。     

错列布局风电场尾流演变实验研究EI北大核心CSCD

在规模化风电场中,多机组尾流相互干扰对机组能量转换、区域大气边界层结构有着显著的影响。为研究湍流来流条件下错列布局风电场尾流演变统计特性,在边界层型风洞中,错列布置6排15台水平轴风力机阵列,利用热线风速仪对尾流场进行高频率数据采集。结果表明:相比串列布局,错列布局能够显著提高尾流主流向速度恢复水平,具有提高输出功率的潜力;同时,降低风电场内部流动相关性,风力机迎风面的湍流积分尺度变小;风电场采用紧凑布局时,需要考虑上游两侧风力机后方的局部高湍流强度区对下游风力机叶尖载荷的影响。基于速度谱分析,进一步量化在流场能量输运过程中,各尺度涡旋运动对尾流湍动能贡献度的变化,在近尾流区,流场受到风力机旋转的显著影响,而在远尾流场,低频、大尺度的尾流蜿蜒成为主导。     

混流式水轮机效率的数值预测

随着计算机技术及计算流体动力学的进步,三维粘性流动数值模拟逐步被应用于水轮机的设计和优化.本文在雷诺时均N-S方程基础上,采用有限体积法和标准κ-ε紊流模型,计算了混流式模型水轮机多部件、动静耦合的三维粘性流动,并利用数值计算结果预测了模型水轮机的水力效率,预测的水轮机等效率曲线与模型试验结果相吻合.