不同涡流发生器参数对潮流能水轮机翼型水动力学特性影响研究

将涡流发生器（VGs）流动控制理论引入到水轮机叶片设计领域,开展涡流发生器对潮流能水轮机叶片流动分离效应的抑制机理及水动力学特性研究。以NACA4418翼型为研究对象,分别建立基础翼型段和带VGs翼型段的潮流能水轮机翼型三维模型,应用CFD方法研究不同VGs排布方式、间距、高度以及长度参数对翼型段水动力性能的影响。结果表明：翼型段上安装VGs能有效减缓流动分离,合理的VGs排布方式可有效提高翼型的最大升力系数,正向排布优于反向排布,VGs间距为25 mm、高度为5 mm、长度为17 mm时对翼型段改善效果最佳,各组带VGs翼型最大阻力系数都增大约5%,翼型整体性能上升。利用水槽试验的方法验证仿真模型的准确性。此外,通过对翼型段进行二维流场分布以及VGs背流侧进行静压分布研究,进一步揭示VGs的作用机理。     

水平轴潮流能水轮机尾流特性研究

文章以水平轴潮流能水轮机为研究对象,采用CFD方法对水轮机的尾流特性进行分析。通过网格无关性验证与已发表文献的比对,验证了CFD方法的精度。通过不同叶尖速比下的水轮机性能曲线,进一步分析了水轮机的尾流场速度分布特征。通过分析尾流场中轴向、径向和切向速度的分布特点,研究了水平轴潮流能水轮机尾流的微观结构特征及其演化规律。研究结果表明:尾流横向影响范围在以中心轴线为中心的1D范围内;在近尾流处,尾流速度具有周期性,轴向速度随着尾流下移而逐渐减小;在尾流旋转过程中,径向速度向外扩散并逐渐衰减,切向速度分量沿轴向逐渐衰减。     

矩形通道内冲孔矩形小翼涡流发生器的流动换热特性

雷诺数Re=214～10 703时,通过数值模拟方法对布置有冲孔和无孔的两种矩形小翼涡流发生器的矩形通道进行了传热和流阻特性的研究。计算结果表明:在低雷诺数下,冲孔矩形小翼涡流发生器的传热因子j值与无孔矩形小翼涡流发生器相差不大,而在高雷诺数下,冲孔涡流发生器的传热因子j值略低于无孔涡流发生器,大约低1.03%～3.05%。在相同的雷诺数下,无孔矩形小翼涡流发生器的阻力因子f大于冲孔涡流发生器,而且随着雷诺数的增大二者的差距也越来越大。通过对比综合性能指标可知,两种通道的综合性能指标均随着雷诺数的增加而减小,而且冲孔矩形小翼涡流发生器的综合性能要优于无孔矩形小翼涡流发生器。     

海水中固体颗粒对潮流能水轮机的冲蚀性能影响

潮流能水轮发电机是潮流能电站的核心技术装备之一,海水中固体颗粒的冲蚀损伤对水轮机叶片造成的伤害将直接影响机组的发电效率和运行的稳定性。利用计算机仿真技术,对潮流能水轮机叶片进行数值模拟,分析叶片的冲蚀速率和颗粒相的体积分数,判断叶片受损严重部位,对冲蚀性能进行评价。研究结果表明,该潮流能水轮机叶片的迎流面叶尖外边缘位置受损最严重。随着流速的增大,造成的冲蚀损伤几乎成倍数式增加;颗粒浓度造成的冲蚀损伤大小与速度呈正相关。研究结果对水轮机叶片结构的冲蚀性能评价具有指导意义,也可为结构设计的抗冲蚀性能优化提供参考。     

多工况条件下变叶片数潮流能水轮机能量及流动特性研究

文章建立了潮流能水轮机水动力性能数值计算模型,通过实验验证了利用该模型预测水轮机尾流的准确性,并利用该模型研究了潮流能水轮机在不同叶片数和不同叶尖速比条件下的能量和流动特性。研究结果表明:该数值计算模型在预测尾流速度亏损和湍流强度方面具有较好的精度,尤其在远尾流区,数值计算结果与实验结果保持一致;当叶尖速比(TSR)为4.5左右时,3叶片和4叶片的潮流能水轮机具有相对较高的获能系数,此结果对于水平轴潮流能水轮机的设计具有一定的指导意义。     

阻塞比对潮流能水轮机尾流特性影响数值模拟研究

首先通过对比分析数值模拟结果与水槽实验尾流场速度数据,验证数值模拟的准确性。通过在软件STAR-CCM+中改变水槽宽度的模型,使水轮机阻塞比分别在9.8%、14.7%和29.5%的情况下进行模拟计算,分析潮流能水轮机尾流特性的变化。结果显示,阻塞比的变化不仅会改变水轮机扫略区域外流体速度,影响远尾流恢复速度,还会对尾流的旋转和湍动能分布造成影响;但随着槽宽增加阻塞比减小,其对尾流特性影响逐渐减弱。     

小尺度涡流发生器强化传热特性及机理

对布置有不同高度的小尺度涡流发生器的矩形槽道进行了数值模拟,对其传热和流动特性进行了对比研究。分析了小尺度涡流发生器强化传热的特点和机理。从流体流动对温度场影响的角度来说明对流换热的物理机制。     

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。     

基于正交试验的压气机叶栅叶片式涡流发生器结构优化

为了最大程度地减弱叶栅角区分离,改善叶栅气动性能,对某高负荷扩压叶栅的叶片式涡流发生器进行了结构优化.基于正交试验设计方法,利用计算流体力学软件分别对不同位置和不同几何参数的涡流发生器进行全三维流场数值模拟,获得各组方案在设计攻角下叶栅的总压损失系数和静压升系数.并采用极差分析法研究了叶片式涡流发生器各几何参数对叶栅损失和扩压能力的影响规律以及各个参数不同水平对叶栅性能影响的主次顺序,找出性能较优的设计方案.结果表明:优化后的涡流发生器能在较宽的攻角范围内降低叶栅损失,提高叶栅的扩压能力.     

涡流发生器安装参数对风力机翼段动态失速影响

基于k-ωSST湍流模型,对安装不同间距z和安装角α_vg涡流发生器(VGs)的DU91-W2-250风力机翼段的动态失速过程进行数值研究。翼段做典型的正弦俯仰振荡运动,探究该过程中VGs安装参数对风力机翼段流动控制效果的影响。研究结果表明：改变z对气动影响非常小,改变α_vg的影响较大;当z=6～8 mm,α_vg=13.4°～16.4°时VGs改善翼段气动性能的效果较好;流向涡强度是影响VGs流动控制效果的一个主要因素。     

安装高程对潮流能水轮机尾迹特性影响试验研究

为探究安装高程对潮流能水轮机尾迹特性的影响,以模型潮流能水轮机为研究对象,采用ADV采集尾流场速度数据,对比分析不同高程下的尾流场特性,揭示安装高程对潮流能水轮机尾迹特性的影响规律.结果表明:随着安装高程的增加,转轮后方尾流速恢复速度逐渐加快,而湍流强度和雷诺切应力恢复速度有逐渐减小的趋势;横向尾流场水动力特性沿转轮中...     

风力机叶片上涡流发生器参数化模型应用方法研究

为提高涡流发生器（VG）参数化模型计算精度,对参数化模型的应用方法进行研究。首先提出参数化模型在计算域作为源项而添加的位置和涡核半径取值方法。然后,采用考虑VG叶片间影响的最大涡环量算法,基于DU91-W2-250叶段,从不同VG间距、VG入流角、翼型攻角来比对参数化模型和实体模型的计算结果,来验证应用上述方法的可行性。结果表明：参数化模型、实体模型与试验数据吻合良好,证明了两种模拟方法精度较高;此外,在不同工况下,两种模型得到的速度矢量和边界层速度型都具有较高的一致性,证明参数化模拟方法有效,且在风力机叶片上具有普适性。     

实度对导流罩式水轮机性能影响的数值研究

为了研究转子密实度对导流罩水轮机的影响,建立导流罩水轮机的三维数值模型,利用CFD方法考察多组不同实度叶片下的导流罩水轮机性能参数和流场流速及压力分布.结果显示,额定流速下叶片实度的改变对导流罩式水轮机的水动力性能产生显著影响,实度增加,最大功率系数下降,且导流罩对涵道内流体的增速作用减弱.     

涡流发生器弦向位置对翼型动态失速的影响机理

采用k-ω SST湍流模型,研究加三角翼涡流发生器（VGs）的DU91-W2-250翼段的动态失速过程,从升阻力系数、表面压力系数、流场、VGs脱落涡发展过程等方面,分析VGs弦向位置（x/c）对动态失速抑制作用的影响规律。结果表明x/c对翼型动态失速过程中的增升效果影响较大,VGs增大了翼型的失速攻角。升阻力及压力结果显示,x/c=0.25时增升效果最佳,翼段上表面压力系数Cp较大;x/c=0.20~0.25时尾缘附着流动较好;从涡量峰值变化看,x/c过大、过小时对分离涡的抑制作用有所减弱;从VGs脱落涡的变化看,x/c=0.20~0.25时VGs下游脱落涡强相对较大,旋涡耗散速度较慢。总而言之,VGs在x/c=0.20~0.25时对翼段气动性能提升效果最佳。     

涡流发生器设计参数对某40%厚度翼型性能影响的实验研究

涡流发生器（VG或VGs）经常作为被动式的流动控制措施用于风力机叶片内侧,以减轻流动分离对气动性能的影响。然而,对内侧大厚度和极大厚度翼型,VG流动的复杂性和强烈的非定常性给基于数值模拟的VG设计和性能评估带来很大的不确定性。本文基于某相对厚度40%的大厚度钝后缘风力机翼型,在西北工业大学NF-3低速翼型风洞开展了涡流发生器设计参数对大厚度翼型表面流动和气动性能影响的试验研究。通过对气动特性、特征参数和压力分布等的分析可看出,VGs有效地改善了目标翼型的流动分离,提高了翼型性能;在设计参数中,弦向安装位置和涡流发生器高度对性能影响最大。     

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。     

塔架对风轮旋转过程中声场及流场的影响探究

基于压力脉动与声压之间的关系,利用Fluent数值模拟平台对风力机旋转过程中整机和单转子的声场和流场进行分析。对比2种模型的最大声压级位置,发现由于塔架的介入,整个模型的声场落后于流场约30°。分析塔旁y轴负向测点处压力脉动与声压级第1个峰值对应的方位角,结果发现在y/R=0.14、y/R=0.42、y/R=0.71与y/R=1时声压级（SPL）分别落后于压力脉动22°、5°、9°与18°。分析风力机旋转过程中两种模型塔附近监测点的声压级与压力脉动的变化趋势,结果表明：声压级振幅沿展向先增大后减小,在y/R=0.71处达到最大值;同样,在y/R=0.71时压力波动幅度最大。