水平圆柱形点吸式波浪能发电装置运动响应数值模拟

研究点吸式波浪能装置的水动力学特性是研究波浪能装置的重点。该文应用基于开源CFD软件OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,研究水平圆柱形点吸式波浪能发电装置的运动响应和能量吸收特性。对无阻尼浮子在波浪中的响应进行模拟,并与实验结果进行对比,验证了数值方法的可行性。对单圆柱和双圆柱在波浪中的位移响应和能量吸收功率进行了计算和分析。结果显示:在一定周期范围内,有阻尼单圆柱运动幅值随波浪周期的增加而增加,能量转换效率随周期的增加而降低;双圆柱运动和能量响应呈现一定的周期性特点,通过合理布置可以有效提高系统整体能量吸收效率。     

水平轴式海流发电装置的设计研究

为了提升海流能发电装置的的能量转换效率,研发了一种水平轴式 S 形叶轮海流发电装 置。采用升力法设计叶轮结构,建立 CATIA 模型并开发了模具,以便于大规模的加工叶轮。设计 了 9 槽 8 极绕组水下防腐永磁发电机,并进行了发电机系统结构的设计。导流罩的线性选择使得 海流速度增加 14% ～ 23% ,但流速过大又造成了装置不稳定。通过工程样机海上试验,验证了永 磁发电机的发电性能,同时检测了发电装置实验阶段的防水及防腐效果。轮机在流速达到 0. 32 m /s 时即实现无负载自起动。在海水流速为 2. 5 m /s 时,轮机的获能功率可达到 1 150 W; 在海水流速为 2 m /s 左右的海况下,轮机的实际获能功率在 900 W 上下,获能效率最高为 32% ,提高了能量的转换 效率。     

流致振动能量利用的研究现状与展望

流致振动现象是典型的流固耦合现象,其在空气动力学、水动力学及海洋动力学中均有涉及。近年来,随着流致振动发电设备的不断涌现,学术界又掀起了新一轮的流致振动研究浪潮。目前,有关流致振动发电的研究内容纷繁多样,并未形成系统的研究体系,因此有必要对流致振动能量利用现状及存在的问题进行系统的整理与分析。首先,详细梳理了圆柱绕流及非圆柱绕流的流致振动研究现状,指明了流致振动能量汲取在海流及风能利用上的巨大潜力;随后,基于现有的研究成果介绍了近几十年来主要的流致振动发电设备的种类、工作原理及应用现状;然后,基于现有的流致振动发电理念全面阐述了流致振动能量转化的研究现状,并剖析了研究当中存在的各类问题;最后,对流致振动能量利用的研究方向提出了建议。     

一种变角度导流装置的水动力设计

借鉴风力机扩散器原理,基于提高冲击式海浪发电装置的发电效率,设计了一种变角度导流装置。低流速情况下,由于导流罩原因,扩大了内部初始海流对叶轮的冲击力,增加海浪利用效率;在高流速条件下,通过变角度逐渐缩小进流口面积,防止内部叶轮超载工作。提取影响导流罩保护性能的因素,应用RNG湍流模型对3个主要因素进行分析,选取III级海浪流流速计算相关数值,最后通过模型试验对其性能进行验证。试验选取半径0.5 m叶轮,入口流速达到8.1 m/s时外部流体冲击叶轮的有效面积为0.058 m2,此情况下不足以启动叶轮。模型分析和验证结果均表明,加装变角度导流罩对叶轮有较明显的保护作用。     

基于多谱分析实验研究正交圆柱尾迹的全局空间动力学

该文是对低雷诺数下的正交圆柱尾迹进行全局空间动力学实验研究。在不同的圆柱间距和圆柱直径比的工况下,基于功率谱筛选出谐波性质明显的工况,然后进行多谱分析。多谱分析基于一维全局能量关系式,研究发现线性-非线性机制和非线性机制在各个谐波分量上均有体现,而线性机制则出现在基频上,说明正交圆柱尾迹的流场以非线性机制为主导。     

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.     

海浪发电机双向轴流叶轮设计与仿真分析

为了使海洋浮标具备正常的定位及监测功能,需要合理地进行双向轴流叶轮的选型分析。采用软件对翼型进行选择,并通过 Fluent 软件对翼型进行水动力仿真分析,由压力云图得到影响流体动力性能的主要因素是前半段的弧线。基于此设计 S 翼型,进行 UG 建模,并通过接口导入 Fluent 软件进行叶轮仿真,以选定叶片数量。采用叶素动量理论( BEM) 对海流能自供电浮标叶轮翼型进行原理分析,建立 Bladed 模型,仿真得到叶轮输出特性,从而验证了水动力仿真的正确性。通过模拟试验平台对所设计叶轮的可行性进行验证。结果表明: 桨距角为 15°,尖速比为 4,叶片数量为 4 的叶轮在流速2. 2 m / s 下获能效率最大,其数值接近40% 。通过对仿真及理论分析的正确性进行验证,能够为之后的水槽及海试试验提供数据参考。     

竖井贯流泵水力不稳定特性的改善研究

为有效抑制竖井贯流泵水力不稳定马鞍区的产生,该文基于URANS方法和FBM-CC湍流模型,开展了沟槽控制技术改善竖井贯流泵水力不稳定特性研究。在深度失速工况下,采用正交试验方法优选出显著改善竖井贯流泵水力性能的沟槽控制技术方案,利用边界涡量动力学和熵产理论深入研究沟槽控制技术改善竖井贯流泵水力不稳定特性的机理。研究结果表明：沟槽控制技术能够有效抑制马鞍区工况下叶顶间隙泄漏涡和叶片表面的流动分离,改善了叶片表面的边界涡量流(BVF)均匀分布情况,提高了叶轮的做功能力以及降低了叶轮区域的水力损失,显著提升了竖井贯流泵的水力性能,其中在深度失速工况时,扬程和效率分别提高了12.3%和1.75%,进而能够有效抑制水力不稳定马鞍区的形成。     

以叶轮起旋的气液两相螺旋流摩擦阻力特性实验研究

该文对以叶轮起旋的水平管内气液两相螺旋流的摩擦阻力压降特性进行了实验研究,水平实验管段为内径23 mm,长度为2 m的有机玻璃管,实验工质为空气和水,气相折算速度为0 m/s–3 m/s,液相折算速度为0 m/s–1.5 m/s。主要研究了流速以及叶轮参数对压降的影响,对比分析了气液两相非旋流与气液两相螺旋流的压降特点,实验结果表明:流体流速是管内摩擦阻力特性的重要影响因素,随着气相折算速度的增大,管内压降逐渐增大。叶轮参数对压降亦有较大影响,随着起旋角度的增大或者随着叶片面积的减小,压降均有逐渐变大的趋势。与气液两相非旋流相比,气液两相螺旋流的压降进一步增大;且随着气相折算流速的增加,螺旋流的压降增大速度要高于非旋流。最后,基于Lockhart和Martinelli方法,根据实验数据建立了气液两相螺旋流压降计算模型,研究结果表明理论值与实验测量值吻合较好。     

不同介质条件下航空液冷泵空化特性的数值模拟及实验研究

该文针对某型号航空液冷泵设计参数和要求,采用加大流量设计法设计了两套水力模型(圆柱叶片叶轮和长短叶片复合叶轮),并进行了内部流动数值模拟和空化可视化试验验证.研究结果表明,通过减少长叶片数、增加短叶片的复合叶轮与常规的圆柱叶片叶轮扬程流量系数变化规律基本一致,额定流量工况下,扬程相近.当空化数σ=0.05后,圆柱叶片叶...     

对角泵叶轮内部流动与能量特性数值分析

利用RNGh紊流模型封闭时均N—S方程组，对一组对角泵叶轮的内部三维流动进行了数值模拟，在分析基本流态的基础上，对对角泵叶轮的能量特性进行了预测和比较。计算结果表明，对应于不同的叶片夹角，对角泵叶轮的能量性能差异很大。轴流泵叶片对角布置后，离心力的作用使对角泵叶轮的扬程提高，使得叶轮的最优比转数随叶片夹角的减小而减小。随着叶片夹角和流量的减小，对角泵叶轮的功率不是增加而是减小，功率特性由轴流泵逐步向离心泵过渡。与对应的轴流泵相比，对角泵的最优效率点向小流量方向偏移，但高效区变宽。叶片夹角为150。的对角泵叶轮的流量加权平均效率比对应的轴流泵叶轮高0．82％。因此，选择优秀的水泵水力模型，通过优化叶片夹角、叶轮室及轮毂的形状和尺寸，能够改善和提高对角泵叶轮的能量特性。     

基于模态分析法的水下高速航行体流激振动声辐射特性研究

为了评估水下高速航行体的低频水动力噪声特性，该文基于模态分析法，将航行体简化为镶嵌在无限长刚性圆柱障板的圆柱壳模型，以流动激励力湍流脉动压力波数-频率谱作为输入，建立水下航行体流激结构振动声辐射计算方法，并通过回转体实验进行验证。研究结果表明：3～9 m/s流速范围内，80 Hz以上总声级偏差小于2 dB，计算结果与试验结果基本一致。该研究工作为水下航行体低频水动力噪声评估提供了一种理论方法。     

基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟

该文采用计算流体软件CFX5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性。使用有限体积法对三维N-S方程进行求解。数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性。数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性。     

串列双圆柱涡激振动响应的数值模拟

该文利用动网格技术对雷诺数Re=100的串列双圆柱的涡激振动响应特性进行了详尽的数值研究。研究了上游圆柱固定,下游圆柱横向振动时,不同间距比(L/D=2-5)和折合流速(Ur=2.4-12)对上、下游圆柱的升阻力特性、涡激振动响应特性和圆柱间干扰效应的影响;以及下游圆柱双自由度(横向和流向振动)涡激振动响应特性。研究发现:随着间距比的增大,下游圆柱开始进入"锁定区间"的Ur减小,且下游圆柱的涡激振动对上游圆柱的影响逐渐减弱,但上游圆柱对下游圆柱的干涉效应一直存在。对于不同间距比,在折合流速Ur=7.2附近,下游圆柱的升阻力系数具有很明显的"跳跃"现象,并出现阻力峰值,且不同间距比的下游圆柱都在Ur=7.2时获得最大振幅且幅值相近,这意味着下游圆柱可能在此折合速度下被完全诱导,当下游圆柱被完全诱导振动后,间距比对圆柱振幅的影响较小。不同的折合流速下,小间距比(L/D=2)和大间距比(L/D=5)的尾流会表现出不同的流动形式和"2P"、"2S"等涡脱形式。下游圆柱双自由度振动时,流向振动相对横向振动振幅较小。     

低湍流度水洞的水动力学设计与流场校测

中国空气动力研究与发展中心建成了低湍流度水洞流动显示实验室,以满足边界层转捩、湍流结构与控制及旋涡与分离流结构特性等基础研究需求,同时为开展新概念、高性能飞行器布局绕流结构及复杂流场特性研究提供流动显示实验平台。为满足低湍流度、速度场均匀、流场稳定性好和流场调节过程高效等核心指标需求,该水洞的水动力学设计过程打破了常规设计理念,注重理论与经验密切结合,提出并使用了三个方面的关键技术:一是使用消能孔板保证洞体回路全程低流速,综合迭代优化收缩段剖面结构、收缩比、稳定段蜂窝器、阻尼网和拐角段的拐角导流片结构形式等关键技术降低湍流度,将收缩比控制在9.3的状态下使湍流度达到0.1%,大幅节约了建设成本;二是在试验段下游使用等直下沉段释放能量、稳定流速和抑制回波,这种动力段与试验段之间的液位差,对消除轴流泵运行带来的水激振动扰动和抑制因流场调节带来的回波扰动作用重大;三是试验段上洞壁为敞开式槽体结构,保证试验段流体液面压力稳定,速度均匀,依据水动力学及轴流泵运行理论,上洞壁敞开式槽体结构对试验段速度场的稳定性及均匀性是有益的。流场校测试验结果表明水洞流场具有湍流度低(优于0.1%)、空间速度场均匀、流速稳定、流场调节高效和使用便捷等特点,该水洞的低湍流度水动力学设计方法值得推广。     

坡面流水力学特性研究的进展

简要介绍了坡面流水流流态、平均流速、水深以及阻力系数等水动力学特性研究现状;全面总结了坡面流水动力学特性诸方面研究的最新进展,并对影响坡面流水力特性的因素进行对比,得出重要结论。最后,提出了坡面流及坡面侵蚀过程研究中存在的主要问题及未来展望。     

单吸式清水离心泵内部水流流动特性数值模拟

为研究单吸式清水离心泵内部复杂的流动特性,采取RNG k-ε湍流模型,引入UDF动网格技术,应用FLUENT软件,模拟研究了单吸清水离心泵内部水流的流速和压力特性,得到了水泵的扬程、效率,以及不同流量下叶轮的压力分布、离心泵内部的流速和压力分布规律。本文的研究成果为离心泵参数预测及结构优化提供参考。     

正交圆柱尾迹空间动力学行为的实验研究

该文实验研究了低Reynolds数情况下正交圆柱尾迹的空间动力学行为.研究涉及不同来流速度,不同圆柱间距工况下,几何中心层和剪切层上旋涡的空间演化特性.空间动力学行为分析主要基于自谱和互谱的空间演化,并涉及空间相位分析.结果显示:正交圆柱尾迹法向方向和展向方向的自谱演化不具有对称特性,分别表现为类单圆柱性和二次流现象;在正交圆柱中心附近,通过自谱图发现尾迹处存在旋涡的三次归并现象以及亚谐波的嵌入现象；通过互谱和空间相位分析,在Re=68和Re=103工况下发现波数匹配现象,并且其频带的中心恰为正交圆柱脱落主导频率；特别在Re=68工况下脱落主导频率和一阶亚谐波存在波数匹配现象,并且随着Re数增加,相位关联消失.     

圆形断面排水管道水力特性探讨

圆形断面管道在工程中的应用十分广泛。排水管道设计中,常需要计算某一充满度下非满流的流量及流速。根据水动力学基本原理及数学分析方法,提出了充满度与流量比、流速比的统一解析表达式,并对圆形断面管道流独特的水力特性进行了研究分析。采用试验手段,进一步对圆形断面管道无压均匀流流量—充满度的非单一性、水深—流速关系进行了分析研究,进而提出了更为合理的表达式。     

均匀流绕旋转圆柱分离流动的数值模拟

本文利用离散涡模型与边界层理论相结合的方法，研究了高雷诺数下，均匀流绕旋转圆柱的分离流动以及有关动力学特性，并验证了Magnus效应，数值模拟过程中，边界层方程用Keller盒式法求解，离散涡采用涡量均匀分布的圆形涡团模型并以涡核半径随时间增长来模拟涡旋的粘性扩散效应。在计算绕旋转圆柱的流动中，无须人为地引进非对称扰动，到一定时候就能自动形成交替脱落的涡街，旋转圆柱周向速度与来流速度比值α的变化范围为0.05-0.3。计算所得升阻系数、分离点的位置以及压力分布与理论和实验结果相符。