近自由表面对称翼型气动特性的实验研究

本实验的目的主要以地效飞行器为背景,研究其中的空气动力学地面效应原理,是对地面效应的探索性基础实验研究。以NACA0012翼型为研究对象,在风水槽中对其进行了近水面的气动特性随攻角和间隙比变化的实验。分析了翼型表面压力系数随高度和随攻角变化时的分布规律。结果发现,随着高度的降低前驻点会沿着下翼面向下游移动;随着高度的降低和攻角的增加源于地面效应的下翼面高压区域向后缘扩展;在3°～5°的攻角范围内得到了有明显提高的升阻比,但是在间隙比h/c=0.15附近时会出现一次明显的升阻比减低现象。实验数据较真实的反应出近自由表面对称翼型的气动特性,可以很好的解释及印证地面效应的基本原理。     

前后缘改形翼型的流动控制机理研究

针对前后缘及上下表面正弦波浪型改形翼型对前缘流动分离及失速的影响,采用大涡模拟湍流模型对改形翼型在雷诺数1.6×105下不同攻角的流动控制机理进行了数值研究.研究表明,相对于NACA0012直翼型,改形翼型由于其前后缘及上下表面沿展向呈正弦波浪型变化的结构特性,使其在失速区得到了更平缓的升力曲线.在小攻角(α≤ 12°)工况,改形翼型的升力系数稍小,然而在大攻角(α≥15°)工况,其升力系数明显提高,最高可达20％.前后缘改形的扰流使得改形翼型前缘流动分离在最大截面处延迟了,分离线移至大约0.25c的位置,这样的三维流动结构有效的减少了升力在失速区的突降.     

海流能转换器叶片翼型的失速和水动力特性的数值研究

海流能转换器叶片翼型的水动力学性能优劣是海流能开发利用的关键因素.该文基于浙江工业大学水力学实验室设计的海流能转换器叶片,利用商川CFD模拟软件FLUENT对其叶片翼型在来流攻角从-4°～20°情形下的水动力特性进行了相应的数值模拟计算,得到翼型周围流场的速度分布、压力分布、翼型的失速特性以及水动力特性与攻角α的关系,可供设计高效的海流能转换器叶片时参考.     

襟翼长度对翼型水动特性影响

针对日益受到关注的潮流能水轮机中叶轮所用翼型水动力问题,采用CFD数值模拟方法,以NACA0018为基准翼型,对比分析了带襟翼翼型和原始翼型的流场变化,以及襟翼长度对翼型水动特性及表面静压力系数分布的影响。数值计算结果表明:襟翼可以使翼型失速攻角延后,且在达到失速攻角后可比原始翼型对应攻角时的升力系数有所提高;在小攻角下,襟翼对翼型压力分布影响较小,襟翼长度为0.3c(c为翼型弦长)时,压力系数改变最为明显;当攻角接近失速攻角时,襟翼长度为0.2c时,在所研究范围内,翼型水动特性最优;达到失速攻角后,襟翼对翼型流场及静压系数分布影响较大,翼型前缘吸力面低压区范围增大,压力面高压区范围均匀分布,且当襟翼长度为0.2c时翼型水动特性最优,其升力系数较原始翼型升力系数均有较大提升,阻力系数变化不大。     

双向潮流能发电机组翼型研究

采用NACA4409翼型半部分为基本翼型,借助设计变量θ,以抛物线构造S形母线。通过θ的变化构造出不同的母线形状,与基本翼型厚度叠加得到不同的S形翼型。利用Gambit软件建模,在来流速度为1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的条件下,用Fluent软件对各翼型水力性能进行比较分析,选取性能最好的翼型。计算结果表明,θ＝-4°时所得S形翼型升阻比较高,水力性能较好,该翼型最佳冲角约8°左右。     

坡面流水流流态的试验研究

为了研究坡面流的流态。采用有机玻璃床面试验水槽，进行了不同坡度（3°、5°、10°、15°、20°、25°）条件下，坡面水深为1．2～5．3mm的水流流量、流速的观测。在本次试验条件下，坡面流均为紊流流态。试验结果表明，坡面流表面流速采用谢才公式计算时，谢才系数计算式中水力半径指数为3／8，即C=（1／n）R^3/8。     

风力机叶片气动性能设计研究

在风力机组叶片的设计参数中,弦长、扭角和主要翼型沿叶片展向的安放位置对叶片的气动性能有着极其重要的影响。基于动量叶素理论,考虑叶片损失、推力修正和叶片厚度、宽度对叶素攻角的改变等因素,编写了风力机气动性能计算程序。发展了基于遗传算法,以叶片弦长、扭角和主要翼型沿叶片展向安放位置作为变量,以风能资源利用系数最大化为目标的风力机叶片气动性能设计方法。并给出算例,得到一种风能利用系数为0.480 7的风力机叶片,证明了该方法的可行性。     

透平叶片冷却膜稳定性的实验研究

在水洞中,对透平叶片冷却膜附壁的稳定性进行了显示观察和测量的实验研究。用圆柱和放大的叶片做模型,模拟叶片前缘和叶盆凹面的流动。在流体动力学相似条件下,用色液显示的方法,观察了圆柱上展向喷射角β为30°的冷漠的流动图案;测量了从圆周角θ为10°、20°、25°和40°处喷射的冷膜的临界速比m_(cr)与主流加速度参数K的关系,并得出经验公式;m_(cr)=f(K、β)。测量的叶片凹面上冷膜的m_(cr)与K的关系,有与圆柱凸面上的相近趋势,可作为工程设计的参考依据。     

岩层产状对层状岩体地下厂房围岩松弛变形特征影响分析

针对层状岩体地下厂房围岩变形稳定问题,本文基于三维块体离散元软件（3DEC）,采用数值模拟,研究岩层产状对层状岩体地下厂房围岩松弛变形特征的影响规律。研究结果表明,当岩层倾角小于30°时,厂房开挖后围岩最大变形发生在顶拱和底板部位,当岩层倾角大于60°时,最大变形发生在边墙部位;在相同条件下,随着岩层倾角的增加,厂房开挖后围岩的最大变形量和松弛区的深度表现出了先增大后减小的趋势,且当岩层倾角到达60°~70°时,其达到了峰值;随着厂房纵轴线与岩层走向的夹角的增大,围岩的最大变形量和松弛区的深度表现为逐渐减小的趋势,且当厂房纵轴线与岩层走向的夹角超过一定角度后,其基本上无明显的减小趋势。对于陡倾角层状岩体,地下厂房设计时,建议洞室纵轴线与岩层走向的夹角不宜小于60°。     

水平轴水轮机叶片翼尾弯角对水动力性能的影响研究

为了研究水轮机叶片翼尾弯角变化对水动力性能的影响机理,使用翼型X-foil设计软件对NACA0014翼型进行弯角变形,得到上弯5°、10°和下弯5°、10°、15°五种变形翼型,并通过CFD仿真计算得到不同翼型的各个参数对比情况,最后进行了样机实验,验证所得结论的准确性。结果表明:下弯15°翼型升力增幅达到72%;翼尾下弯可使翼型上下表面压差显著增加,翼尾每下弯5°,压差可增加0. 25左右;随着下弯程度增加,流场出现分离现象,翼型失速临界攻角降低,更易失速;翼尾上弯使得变形翼型在升阻力和失速性方面均比原始翼型变差。该研究较清楚地揭示了叶片翼尾弯角对水轮机水动力性能的影响机理,为叶片设计与优化提供了翼型层面上的参考。     

流动空气与风力发电叶片作用特性研究

流动空气与风力发电叶片作用特性是风力发电叶片设计的基础,是风力发电领域研究的难题。长期以来以动量-叶素理论为基础,以流过风力发电叶片空气流场为对象,相继建立了叶片优化设计的Schmitz方法、Glauert方法、Wilson方法和CFD方法等。但流经叶片过程中的空气对叶片作用的特性仍有许多问题需要亟待解决和深入研究。为此,论文应用伯努利方程推导了环状流动空气流过风力发电风轮时传递给风轮的能量计算解析式;应用动量矩原理推导了环状流动空气流过风力发电风轮时作用在风轮上的力矩解析式;提出了流过风轮的环状空气向风轮释放功率的解析式,从而发现风轮正常工作时,流过风轮的环状空气向风轮释放的功率等于环状空气流量、空气密度、环缘处风轮的牵连运动速度及环缘处流出空气的绝对运动速度在此点牵连运动速度方向上投影的连乘积。为叶片截面轮廓曲线后边缘特征参数设置提供了参考。     

展向翼型分布对风力机性能的影响研究

风力机叶片是由其展向不同位置且相对厚度不同的翼型积迭而成,展向翼型的分布影响风力机叶片的性能。为此,本文选取 8 种相对厚度不同的 NACA24 系列翼型,在考虑叶尖和轮毂损失的情况下,基于 MATLAB 程序计算各段的弦长扭角,利用 Qblade 软件模拟三种不同额定功率（300W、1.5MW、5MW）的水平轴风力机叶片,旨在研究不同额定功率下,展向翼型分布对风力机性能的影响。结果表明：随着风力机叶片展向翼型数量的增加,相同额定功率下,风力机叶片输出功率的数值逐渐增大,输出功率的增量逐渐减小;不同额定功率下,风力机展向翼型数量的增量相同时,随着额定功率的增大,输出功率的增加值占比逐渐减小。研究可为风力机叶片设计理论的发展提供借鉴。     

风电机组风轮表面气流摩擦阻力特性研究

风轮在旋转的过程中,风轮获取的风能中需要消耗一部分来克服空气阻力,因此,叶片的设计中应充分考虑空气摩擦对设计的影响。结合1.2 MW风电机组叶片设计参数,应用黏性流体边界层理论,分析空气与风电叶片之间的相互作用及叶片受到的摩擦阻力,建立了叶片表面摩擦阻力计算模型,得到在摩擦力作用下,输出同样功率需要用弦长来补偿的结论,进一步修正了叶片弦长设计理论~([1])。最后通过Fluent仿真,分析气流摩擦阻力对叶片出力的影响,并与Glauert设计方法和Wilson设计方法进行对比,结果表明:在考虑摩擦力后弦长增加,且在不高于9 m/s的风速下原弦长和桨距角设计理论比Glauert理论和Wilson理论具有更高的功率和风能利用率。     

基于叶素理论及 CFD 的中扬程风力提水机的 低实度高效风轮设计

为了降低风力提水机的起动风速,解决传统风力提水机多叶片大实度、风能利用系数低的缺点,采用叶素理论对风力提水机叶片的气动外形进行设计,引入了修正因子,并根据工程实际优化了叶片的弦长以及安装角;采用CFD方法对风轮进行数值模拟,通过分析证明所设计的风力提水机能在2.5m/s的微风下起动,在额定工况下风能利用系数高达0.46,叶片具有很好的三维流动特性,气流流动稳定无脱流,具有中扬程、低实度、低风速起动进行提水作业的优点,扩大了风能的利用范围。     

基于降低风力机叶片损伤的风电场优化调度

叶片是风电机组的核心部件之一,占风机总成本的20%,是影响风电机组运行寿命的重要因素。通过对叶片在几种不同载荷工况下叶根材料破坏时循环次数的计算,再结合线性累积损伤理论,得到了不同工况下的叶片损伤量。在同时考虑了风电机组叶片损伤、启停次数以及功率控制要求的条件下,建立了风电场的多目标调度模型;并采用二进制遗传算法(BGA)对该模型予以优化,获得了风电机组启停组合和目标功率值。在此基础上,再结合实际算例来验证该算法,通过合理的机组调度,实现了在保证输出功率控制要求的同时,来优化风电机组的启停、改善风电机组的运行寿命以及减少风电场电力系统的运行成本。     

新型H型叶片潮流能水轮机不同翼型水动力性能分析

为了探究垂直轴潮流能水轮机转轮叶片翼型对其水动力性能的影响,在保持水轮机密实度相同的条件下,采用Fluent软件对4种不同翼型的H型直叶片潮流能水轮机进行了三维流场非定长数值模拟。通过4种H型叶片翼型对转轮动力扭矩特性和水能利用系数的影响,分析了潮流能水轮机水动力性能。结果表明,NACA0015翼型的水轮机单叶片动力扭矩最大值明显高于其他3种翼型;而整体转轮扭矩最大值取决于其不同的来流速度等运行工况。从整体上看,不对称翼型NACA4415的水轮机水能利用效率优于其他3种翼型。本研究为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。     

大型海上风机施工短暂工况下的模态分析

海上风电建设中常因异常气象干扰发生施工中断,出现叶片延期安装等施工短暂工况,需重视此类工况下机组的结构安全。依托某海上风电工程,提出了一种机组整体建模方法,采用Block Lanczos法对机组展开模态分析,研究了各施工短暂工况下机组自振特性,并分析了机舱对机组自振频率的影响。数值分析结果表明,在风轮延迟安装工况下,机舱转动惯量及偏心对结构高阶模态影响较为明显;相比于整机工况,各施工短暂工况下,结构模态自振频率均出现较明显提高,不存在波浪荷载激励下的共振风险。     

适用于独立变桨控制方式的风机气动模型和风模型的研究

建立了一种新的基于叶素理论的适用于独立变桨方式的风机气动模型,并与传统基于风能利用系数经验公式的风机气动模型进行了比较分析.同时基于风剪塔影理论建立了风模型,同新气动模型联合仿真,通过新气动模型的输出仿真结果验证了风剪塔影造成单只叶片的拍击力1P波动,3只叶片合成主轴气动转矩的3P波动.最后通过独立设定桨距角,联合对风模型与新气动模型仿真,验证了新模型对于独立变桨方式的适用性.     

风力发电技术发展动态

本文介绍了近几年风电机组研制、风资源评估及风电场发电量预报等风电技术发展动态,简要分析了其发展方向,并对我国的风电开发及技术研发工作提出了建议。总的来说,陆上风电技术已经成熟,今后研究的重点将集中在进一步减小对电网冲击和环境影响以及降低风力发电成本上。海上风电技术处于快速发展阶段,海上专有机组设计、风资源评估、海上施工技术和维护策略将是未来研究的重点。我国应该在大力进行风电工程建设的同时重视风电的基础理论和技术研究。     

垂直轴流体动能转换装置

介绍了可再生流体动能能源及垂直轴风力机的利用现状,分析了垂直轴流体动能转换装置的特点和开发利用价值,针对该装置高效率、低成本的特征,为其在绿色能源开发利用中的前景进行了展望。