水平轴风力机翼型动态失速的数值模拟

采用数值模拟的方法对二维翼型NACA23012在非定常流动中的动态失速进行研究,分析翼型在振荡周期内升力系数随攻角的变化,并进一步研究俯仰运动的关键参数对翼型动态失速迟滞效应的影响,得出以下结论:振荡翼型的升力系数峰值大于静止翼型的升力系数峰值,使得风力机的实际输出功率大于理论计算值;平均攻角越大,临界失速攻角越大,升力系数峰值越大;振幅及衰减频率的增加均使得动态失速迟滞效应增强。模拟结果与试验结果吻合较好,用模拟的方法分析振荡翼型的气动特性参数的变化趋势是可行的。     

大型兆瓦级风力机气弹耦合数值模型研发及应用

为探究大型兆瓦级风力机柔性叶片非线性气弹特性,揭示叶片大范围空间运动与气弹响应耦合机制,该文提出一种用于分析风力机气动性能、模态特征、气动阻尼及动态响应的实时双向气弹耦合研究方法。将叶素动量理论、混合梁理论、Lanczos模态分析法及修正的Newmark-β位移迭代法有效结合,通过MATLAB编程实现柔性叶片气动载荷、弹性变形和空间运动之间的气弹耦合仿真。经与美国可再生能源实验室公开实验数据及Bladed软件计算结果对比分析,发现最大相对误差仅为-2.77%,证实本文气弹模型准确可靠。研究发现,气弹耦合对轴向和切向气动力影响显著,对气动阻尼的影响从叶根到叶尖逐渐增强。气弹耦合导致叶片气动载荷及动态响应降低的原因是平面外结构变形。该文数值模型相比风力机专用软件Bladed增加气动阻尼和气弹耦合模块,计算结果满足与Bladed软件计算结果偏差不大于5%的要求,对柔性叶片气弹稳定判定、风力机整机刚柔耦合动力学仿真的实现具有重要意义。     

大功率汽轮机组在小流量下的颤振预估

本文给出了大功率汽轮机叶片在小流量下的颤振预估方法,包括数值计算的物理模型,小流量下定常流的失速流场和叶片振动时非定常失速流场的计算,并根据失速振荡条件下所得到的非定常气动力,进行小流量下的气动弹性稳定性分析。本文还给出了应用此方法对20万千瓦汽轮机末级叶片所作的颤振预估的实例。     

多级压气机动叶片时序效应数值研究

对某型燃气轮机中间三级轴流压气机流场进行了非定常数值模拟,研究第二级动叶时序(CLOCKING)效应对中间级各列叶片气动负荷的影响。计算过程采用基于谐函数(Harmonic)的频域变化方法对全三维Navier-Stokes(N-S)方程进行求解。通过对各列叶片非定常气动负荷进行时域和频域分析,指出转子叶片中间级动叶R2处于不同的CLOCKING位置时,会引起R2叶片本身以及下游中间级静叶S2气流激振力显著变化。在CLK0(各列动叶片在周向上安装位置相同)位置,中间级静叶片在部分时刻内受力与常规方向相反,且气动力和力矩波动幅度最大。在CLK2(动叶片在周向上错开1/2节距安装)位置上,R2叶片和S2叶片气动负荷的稳定性都得到改善。静叶S2气动力、气动力矩波动幅值明显较其他位置小,且方向的改变次数也较小。同时,S2对其上下游动叶一倍通过频率的响应也最小,因此具有比较稳定的气动负荷。     

风力机叶片流固耦合计算分析

流固耦合条件下风力机的叶片变形及振动分析对大型风力机的安全具有重要意义。采用k-SST紊流模型和滑移网格技术,对美国国家可再生能源实验室5 MW海上风力机叶片进行了流固耦合计算分析。结果表明:叶片在额定风速流固耦合作用下会发生挥舞方向、摆振方向变形和扭转变形,越接近叶梢,叶片变形就越大而且变形呈非线性分布,而在叶片中段容易出现应力集中区;考虑叶片流固耦合作用时叶片所受到的持续平均气动力略大于未考虑叶片流固耦合作用时的情况;叶片流固耦合作用使叶片气动攻角、扭矩增大;而叶片攻角增大是导致叶片扭矩增大的主要原因。     

风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析

介绍了风力机翼型的设计要求和主要方法,提出了预测翼型气动性能的合理途径,探讨了二维翼型气动数据的三维旋转修正问题。     

基于流固耦合的燃机压气机叶片结构动力学分析

采用流固耦合的方法对某压气机转子叶片进行气动弹性数值模拟计算,将定常计算结果与实验结果进行对比,验证计算方法的正确性。在此基础上,采用单向流固耦合计算对叶片进行结构动力学分析,把非定常计算得出的气动力载荷转化为结构动力学分析中的载荷压力场形式,分析叶片在气动力作用下的瞬态响应,并进行模态分析。所得结果表明:叶片在气动力作用下承受较大的交变应力幅值,容易发生高周疲劳;产生了较大的动应力,最大应力值位于叶根前缘。通过分析叶片的各阶模态振型和危险点的位置,可以为叶片的疲劳设计分析提供依据,加强压气机转子叶片运行的安全可靠性。     

第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机旋转失速的影响

以某电站两级动叶可调式轴流风机为研究对象,基于节流阀UDF函数和SST k-w湍流模型,对轴流风机第一级动叶轮中单个叶片异常偏转角度分别为+6°和-6°时的旋转失速现象进行数值模拟。计算结果表明:当轴流风机第一级动叶轮中存在叶片安装角异常时,会引起风机提前进入失速,动叶异常偏转角度为+6°和-6°时,轴流风机失速裕度分别为21.06%和20.93%,较叶片正常偏转时分别降低了6.73%和6.86%;第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机失速诱发起始位置及失速类型几乎没有影响,与动叶正常偏转时相同;第一级动叶轮内单个叶片安装角异常对两级动叶轮内由失速先兆演化为失速团的三维非定常演化过程具有重要影响。研究结果进一步丰富了对多级轴流叶轮机械旋转失速复杂流动现象的认识。     

转捩对风力机涡流发生器气动性能影响的数值模拟研究

转捩效应对叶片气动特性产生重要影响。考虑了转捩效应,采用SST全湍流模型和Gamma-Theta转捩模型对安装有涡流发生器的DU91-W2-250叶片微段进行了三维计算,并与文献试验数据对比,研究了转捩对风力机涡流发生器气动性能的影响规律。结果表明:在攻角0°~22°范围内,转捩模型计算的升力系数与试验值吻合更加良好,最大误差仅为7.9%;全湍流模型在攻角大于18°,升力系数最大误差达23.1%。转捩模型计算的升阻比曲线与试验值基本吻合,全湍流模型最大误差达51.8%。全湍流模型计算的叶片分离区尺寸明显大于转捩模型的,转捩效应使叶片分离区域变小,起到延迟失速的作用。在5°小攻角下,转捩发生在涡流发生器下游;在14°攻角下,转捩发生在涡流发生器上游,转捩模型能准确捕捉到叶片前缘的分离泡。     

汽轮机末级叶片失速颤振的全三维粘性流数值分析

给出了对汽轮机末级叶片失速颤振的全三维粘性流的数值分析方法和对某汽轮机的具体分析结果,计算了各种流量,各种背压和各种振频下的非定常气动力作功,共２５０种工况。得出的颤振边界线与实测的安全运行限制线基本符合,证明该方法完全适于进行工程应用分析。     

大型风力机叶片表面粗糙度效应数值研究

采用CFD方法,通过在风力机二维翼型和三维叶片表面设置等效颗粒粗糙度,对某1.5MW水平轴风力机积灰和昆虫引起的粗糙度效应进行详细的数值研究;计算结果表明:翼型表面尤其是前缘的粗糙度严重影响翼型气动性能,翼型气动性能对翼型表面光洁到粗糙的变化敏感,翼型前缘的粗糙度敏感性随着攻角增大而增加,压力面尾缘局部粗糙度会在一定程度上提高翼型气动性能;对于三维叶片,表面粗糙度尤其是叶尖部位将严重破坏叶片气动性能,叶片整体粗糙度效应不是各段局部粗糙效应简单的线性叠加,而是其综合影响的结果。该文研究可以对风力机叶片表面粗糙度效应机制和气动性能优化提供理论依据。     

风力机定桨距和变桨距工况下叶片风能利用特性分析

基于动量叶素理论设计计算了风力发电机叶片几何结构形状和运行工况,建立了风力发电机叶片有限元模型,对风力发电机叶片的气动特性进行了数值研究,给出了风力机风场的风速、压强分布.研究表明,在大攻角及小转速下,叶尖损失对风力发电机叶片功率和叶片效率的影响更加明显;变工况下,叶片功率曲线及叶片效率曲线基本服从翼型及叶片气动特性的规律,曲线斜率受叶片升阻比、失速效应和叶尖损失的影响.     

轴向间距对轴流风机失速流场特征影响

轴向间距作为轴流风机重要的结构参数,研究其对旋转失速的影响机制具有重要意义。本文采用Realizable k-ε湍流模型,利用Fluent软件对不同轴向间距下风机旋转失速非定常演化过程进行数值模拟。结果表明:在近失速工况下叶片压力面前缘和后缘静压系数沿气流方向迅速减小;叶顶区域先于其他叶高区域出现失速先兆,失速先兆占据的流道随轴向间距的增大而增多;风机进入旋转失速后,大轴向间距下高湍动能区域的面积增大、数目增多;第二级动叶内相对应位置处,压力随轴向间距的增大而减小。     

一种高效节能轴流风机的试验及计算(Ⅱ)─—旋转失速工况性能

具有相同的几何参数和气动参数的两台弯掠动叶和径向动叶轴流试验风机（弯掠动叶弦长在中径处加长20．4％），在相同的转速条件下，进行变工况旋转失速前后气动－声学性能的实验研究。实验结果表明：弯掠动叶在旋转失速工况下性能曲线平坦，并且其旋转失达特征参数明显不同于径向动叶。弯掠动叶试验风机的噪声值和噪声频谱表明：弯掠动叶具有低噪声的特点。并通过对比分析多种旋转失速工况的气动噪声计算方案，得到了适于计算弯惊动叶旋转失达工况的气动噪声计算方法。上述实验研究和计算方法为轴流风机的改进设计提供了可靠的依据。     

电站轴流风机动叶异常偏转及失速状态下的叶轮应力特性分析

基于N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用数值计算方法模拟了某电站轴流风机相邻两动叶+9°异常偏转及失速工况下叶轮内部的非定常流场特征,并研究了动叶异常偏转及失速工况下的叶轮应力特性,研究结果表明,失速发生后,叶轮流道内产生一个大约占据一半流道的完整失速团;+9°异常偏转叶片能够减弱失速团带来的气动载荷扰动,但最大等效应力值增加幅度较大,降低了叶轮的安全系数;旋转失速发生后,正常叶轮和异常叶轮的最大等效应力均小于屈服强度,未达到屈服状态。     

动叶异向偏转对轴流风机失速的影响

采用非定常数值模拟的方法捕捉失速现象,研究失速机理,所选择的对象为动叶可调式轴流风机,模型一的动叶安装角正常,模型二存在两个偏转角度为-9°和+9°的异常叶片。通过计算可以得知:两只异常叶片改变了同流量下风机的出口静压,但未改变风机运行的稳定范围。同正常叶片的失速变化过程相同,异常叶片的风机也会沿着失速预兆的发生、发展、合流,直到最终变成完整失速团这4个步骤。+9°异常叶片吸力面顶部是失速先兆的源头,而-9°异常叶片附近的流场相对平稳。异常风机产生失速先兆时刻的湍动能峰值较正常风机低72. 7%,形成完整失速团时刻的湍动能峰值较正常风机低41%,可见,异常叶片不但使失速先兆出现的时间前移,还减少了失速团的演化周期,该结论扩展了异常叶片影响失速变化过程的理论。     

叶轮机械旋转失速研究进展

介绍了目前旋转失速的理论模型、实验和数值模拟研究成果,总结了失速先兆与主动控制的关键问题,包括不同的先兆形式与诱发机制,泄漏涡与失速产生的关联性等,指出未来研究方向应主要侧重于叶轮机械旋转失速先兆的发生机理及影响因素、流固耦合研究及主动控制技术工程化研究。     

风力机翼型大迎角分离和动态失速的数值研究

通过求解非定常、不可压缩雷诺平均的Navier-stokes方程和SST k-ω双方程湍流模型,数值预测了LS0413翼型在0°～360°迎角范围内大尺度分离与失速流场特性。并对该翼型的动态失速特性进行了数值模拟,典型的正弦振荡计算结果表明:1)SST k-ω湍流模型能够较好地模拟翼型升力和阻力系数的迟滞环变化趋势;2)绕翼型的流场结构在轻失速和深失速下存在明显的差别。     

风力机翼型动态失速的数值模拟

利用计算流体力学软件FLUENT,对二维翼型NACA23012在非定常流动中的动态失速进行数值模拟研究,分析了翼型在振荡周期内升力系数随攻角的变化,并进一步研究了俯仰运动的几个关键参数对翼型动态失速的影响,得出了翼型升力系数循环曲线在不同攻角、不同振幅、不同衰减频率下的变化规律,并与实验结果相比较。     

风力机叶片的颤振分析

本文以二维模型为分析对象，建立了叶片颤振的分析方法。并利用本文建立的方法，直接由实验曲线求得气动阻尼矩阵和刚度短阵，对叶片稳定进行分析。