偏流条件下水平轴水轮机水动力学性能与尾流场研究

针对水平轴水轮机在偏流条件下的复杂水动力学问题,借助计算流体力学(CFD)数值模拟方法,建立了水轮机的计算模型并通过试验数据验证了模型及方法的可靠性,之后对不同偏流角下的水平轴水轮机的水动力学性能及尾流场进行了研究.结果 表明,随着偏流角的增大,水轮机的平均功率系数和推力系数逐渐下降,而瞬时功率系数、推力系数和压力脉动...     

安装于跨海桥梁下部结构的竖轴潮流能水轮机水动力性能研究

文章采用物理模型实验和基于Fluent的二维数值模拟方法研究了竖轴水轮机安装在典型桥梁下部结构(单圆桩、圆端形墩台、四圆桩)且相对尺寸发生变化时,水轮机水动力性能的变化情况.研究结果表明:与桥梁下部结构组合后,竖轴水轮机的能量输出显著提升,单圆桩提升幅度最大,圆端形墩台次之,四圆桩最小;单圆桩和圆端形墩台相对水轮机尺寸...     

潮流能水轮机叶片翼型水动力性能的数值模拟研究

鉴于潮流能水轮机叶轮叶片性能的好坏关系到叶轮的捕能效果,而叶片翼型的水动力性能是叶片设计的基础,基于CFD软件ANSYS CFX对部分翼型的水动力性能进行了分析。首先在不同湍流模型下对NACA2412翼型的部分水动力特性进行数值模拟并与试验值做对比分析;然后在SST湍流模型下,对NACA64421翼型在攻角为0°时,探讨了边界层网格对数值模拟结果的影响;并对其在攻角为-2°~20°情形下的水动力性能进行了数值模拟。结果表明,湍流模型的选用、边界层网格划分及近壁尺寸的选取对数值模拟结果的影响均较大,并通过数值模拟得到了NACA64421翼型的升力系数、阻力系数、最佳攻角、失速角等水动力性能参数,可为水轮机叶片设计时翼型的选取提供参考。     

不同偏流角下潮流能水轮机水动力特性与熵产率分析

采用CFD与熵产理论相结合的手段,分析了不同偏流角对潮流能水轮机水动力特性的影响,发现偏流使无导管水轮机和导管水轮机输出功率及轴向推力均不同程度地降低,偏流20°时,两者功率最大下降率分别达到30.6％、16.8％,转子轴向推力最大下降率分别达到30.2％、19.8％.由于导管的聚流效应,不同偏流角下导管水轮机相比无导...     

基于改进延迟分离涡方法的潮流能水轮机纵摇运动水动力分析

为探究强迫纵摇运动对浮式潮流能水轮机水动力性能的影响,该文基于改进延迟分离涡模型（IDDES）与滑移网格技术相结合的方法,建立了浮式潮流能水轮机旋转和纵摇耦合运动的CFD数值模型。首先选取潮流能水轮机的水槽试验结果来验证所建立的数值模型的计算精度,其次在不同纵摇频率和纵摇幅值下,对浮式潮流能水轮机开展三维非定常模拟。研究结果表明：1）水轮机水动力系数（能量利用率系数和轴向载荷系数）的整体波动频率为纵摇频率的两倍,同时伴随着频率为叶轮转频的高频脉动;2）随着纵摇频率的增加,水轮机平均水动力系数略有增加,而随着纵摇幅值的增加,其平均水动力系数略有减小,但均小于无纵摇工况下的平均水动力系数;3）在纵摇最大振幅位置处,水轮机各叶片迎流面承受不同程度的水压载荷。纵摇运动对平衡位置和最大振幅位置处的尾迹均有影响,且尾迹出现较为明显的低速区摆动现象。     

线性波作用下水平轴潮流能水轮机水动力性能的数值模拟

文章以20 kW水平轴潮流能水轮机为例,分别选取正常工况和极限工况下的波浪参数,运用计算流体动力学软件Fluent对线性波作用下的水平轴潮流能水轮机的水动力性能进行了数值模拟。数值模拟结果表明:水平轴潮流能水轮机在波浪作用下会受到交变的海洋环境载荷的作用,在该环境载荷的作用下,水轮机的各项水动力性能参数发生周期性变化;正常工况下,水轮机水动力性能参数的波动幅度为3%左右,波浪对水轮机的影响不大;极限工况下,水轮机水动力性能参数的波动幅度为35%左右,波浪对水轮机的影响很大。波浪对水轮机的影响不容小觑,对此,工程上应尽量避开波浪影响区或采取适当的措施提高水平轴潮流能水轮机叶片和支撑结构的疲劳强度,以减小波浪对水平轴潮流能水轮机性能的影响和破坏。     

基于正反装叶片的垂直轴潮流水轮机水动力性能分析

为了解不对称翼型叶片的正反安装对垂直轴潮流水轮机水动力性能的影响,运用CFD软件技术,建立了不对称叶片正反安装的潮流水轮机模型,分析了不对称叶片在正反两种安装方式下,叶片压力面和吸力面压力系数随叶片相位角不同而发生的变化,同时利用效率公式计算得到了效率。结果表明,叶片的正反安装对水轮机的水动力性能影响较大,当叶片正装即不对称翼型叶片凸向朝外时,垂直轴潮流水轮机效率优于叶片反装时,叶片在相位角为0°~120°区间转动时,转轮扭矩先增大后减小,在60°、180°、300°时得到最大扭矩。     

低空急流结构变化对水平轴风力机气动性能的影响

为了解低空急流结构变化对水平轴风力机气动性能的影响,以一台1.5 MW的三叶片变速变桨型风力机作为研究对象,通过数值计算的方法进行模拟,选取3组急流宽度和5组急流强度作为变化的低空急流结构特征进行研究,得到以下结论:急流宽度增加,风轮功率和推力增加,但增长率下降;急流强度增加,风轮功率和推力增加。急流宽度或急流强度增加都会使得叶片吸力面失速区扩大,流动分离线前移,但两者的影响方式不同。急流宽度或急流强度增加时,叶片各截面的压力系数增加;各截面单位展长上的法向力和切向力总趋势是随急流宽度或急流强度的增加而增加,但由于叶片的失速状况不一样,在部分截面法向力和切向力会出现与总体趋势不同的现象。急流高度作为低空急流的另一重要特征,将在未来的工作中探索其对水平轴风力机气动性能的影响。     

潮流能水平轴水轮机翼型几何参数对其转捩特性的影响研究

边界层转捩对潮流能水轮机翼型的摩擦阻力、流动的分离位置等有较大影响,为了研究潮流能水平轴水轮机翼型的转捩特性,以NACA4418为初始翼型,采用控制变量法对初始翼型进行几何修形来研究不同厚度、不同弯度对潮流能水平轴水轮机翼型边界层转捩及其水动力学性能的影响。通过Fluent软件中的UDF功能将Michel转捩判据与γ-Reθ转捩模型相结合的经验关联值写入求解器中。通过计算,得到不同弯度和厚度的翼型转捩点位置随不同来流攻角的变化规律以及翼型表面的边界层转捩对其水动力学性能的影响规律。研究结果表明:典型工况下,来流攻角越大,翼型边界层转捩点位置随攻角的增大前移,相对厚度和相对弯度均会使转捩点向前缘移动,小攻角条件下弯度影响有减缓的趋势。     

后掠式水平轴潮流能水轮机的载荷与获能特性研究

针对双向潮流能有效利用问题,设计一种基于对称翼型的新型后掠式水平轴潮流能水轮机,并研究其水动力性能。根据对称翼型升阻力特性与叶片展向攻角变化,采用变截面设计优化后掠式对称翼型叶片,并基于Buhl修正模型分析不同后掠偏移叶片所受推力与获能特性。通过3D建模与水槽实验,研究不同后掠偏移叶片的载荷与获能情况。模型实验研究表明,同一尖速比下,后掠偏移量为10%和15%的水轮机相对于偏移量为5%的水轮机所受推力最大分别降低4%和13.3%,获能效率最多分别减小3.8%和11.1%,其中推力比获能效率减幅更大。实验结果与理论分析变化趋势吻合,但减幅比理论值偏高。此外,该水轮机3种后掠偏移量下对应获能效率随桨距角的增大分别降低18%、14%和6%,获能效率下降显著,与300 kW样机实海况运行情况变化趋势相同。     

不同输出方式下2种AA-CAES系统性能的对比研究

为获得先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）系统较高的效率与较好的经济性,设计2种输出策略。建立AA-CAES模型与和太阳能相结合的复合储能系统模型,通过数值模拟,比较2个系统在不同输出方式下的热力学特性与经济性能,并研究了基本参数的敏感性问题。结果表明：原系统在采用方案1时循环效率最高,复合系统在采用方案2时年利润率最大。储能功率的提高对2个系统的循环效率与年利润率有积极影响,而释能功率的提高对其有消极影响。当储释能时间间隔延长时,不同方案下2个系统的循环效率与年利润率均降低。     

不同阻尼比下俯仰运动轨迹对半主动扑翼捕能特性的影响

基于不同俯仰运动轨迹俯仰角的有效值和平均值相同的原则,运用数值计算的方法研究俯仰运动轨迹和阻尼比变化对半主动扑翼捕能特性的影响。结果表明俯仰运动轨迹对半主动扑翼捕能性能的影响与系统阻尼比相关,当阻尼比分别为2和4时,采用正弦俯仰轨迹的半主动扑翼在捕能功率和捕能效率方面均优于采用其他轨迹的扑翼,对比梯形轨迹扑翼,阻尼比为2的正弦俯仰轨迹扑翼效率增加7.96%。而当阻尼比为1时,采用三角俯仰运动轨迹扑翼具有最大的捕能效率。通过对不同半主动扑翼的流场分析发现,运动轨迹和阻尼比可改变扑翼前缘涡的涡流强度和涡流脱落形成时间,从而影响扑翼的捕能性能。     

实度对低风速风电机组风轮气动性能影响研究

为提高低风速地区的风能利用率,研究风轮实度对低风速风电机组气动性能的影响。考虑影响风轮实度因素（叶片数量、弦长及安装角）,设计2组不同弦长叶片与可调安装角轮毂。安装角改变时不仅会引起实度变化,还会使叶尖速比发生改变。通过车载试验验证安装角不同时对风轮气动性能的影响主要与叶尖速比相关。根据不同风轮表面压力分布数值模拟结果得出：相同风速下,弦长由叶根到叶尖逐渐增大的叶片更易启动。相同条件下,试验机组输出功率与数值模拟机组输出功率最大相差5.37%,说明数值模拟结果可信。随着风轮实度的增加,风速5 m/s时,其风能利用系数呈增大趋势,风速8 m/s时,其风能利用系数呈减小趋势,两趋势相交时实度为25.38%,得出该实度下风轮气动性能较优,即可得到适合低风速地区的风轮实度。     

非对称锯齿结构对叶片气动声学性能的影响

为降低水平轴风力机叶片的气动噪声,受鸮类静音飞行能力的启发,提取鸮类翅膀羽毛的非对称锯齿结构,并重构于风力机叶片尾缘处。采用大涡模拟（LES）和FW-H方程对改型叶片和原型叶片的流场及声场特性分别进行研究。同时通过改变非对称锯齿尾缘的结构参数,以探究不同锯齿夹角、锯齿宽度和锯齿间距对非对称锯齿尾缘的降噪效果的影响。结果显示：非对称锯齿尾缘具有较好的降噪效果,尤其是在低频和中频区域,总声压级最多可降低10 dB。当锯齿夹角分别为30°、40°和50°时,随着锯齿夹角的增加,噪声声压级在多数方位角下呈增加的趋势;锯齿宽度分别为10、12.5和15 mm时,随着锯齿宽度的增加,噪声声压级在多数方位角下明显降低;锯齿间距的改变,对0°方位角下的噪声声压级影响显著。而从涡分布图中可发现,非对称锯齿尾缘未改变叶片表面涡脱落的位置,但会减小涡结构和涡强度,增大涡间距,从而抑制噪声的产生。