三维塔振动对塔设备尾涡形态的影响

塔设备作为石油化工中的重要设备之一,应用十分广泛。塔设备在风诱导振动过程中,塔体振动会引发分离位置动态变化、涡脱落频率和模式改变,进而大幅度改变横向力特性。采用数值求解N-S方程、结合Transition SST湍流模型的方法模拟塔设备周围气流的非定常流动,开展较高雷诺数工况下的塔设备三维流场模拟分析,研究塔设备旋涡三维非定常形成、脱落规律,以及塔架振动对其的动态影响。涡脱落模式2S,2P+2S和2P出现的位置发生明显改变,其中2P+2S涡脱落模式最为复杂。结果表明,塔设备振动振幅和频率的改变会对涡脱落模式产生明显的影响作用。     

塔设备在内部流动载荷作用下的振动分析

塔设备的固有频率和相应振型由塔结构、材料特性、流动载荷以及约束等条件共同决定。当塔的振动频率与固有频率相同时将诱发共振,危害塔的正常工作。选取某石化企业的板式塔作为研究对象,在设计工况下分别采用传统理论的折算质量法与Workbench多物理场求解平台提供的流固耦合计算方法,对塔设备进行结构计算、模态分析和谐响应分析。其中流固耦合算法先对内部流场进行气液两相流稳态计算,然后对塔体进行静力结构计算,载荷条件有重力以及通过流固耦合界面施加到塔体的流动压力,计算得到了不同塔板数的塔结构位移、应力、固有频率及其振型等结果和规律。采用模态叠加法对板式塔进行了谐响应分析,得到了内部流动载荷对塔设备动响应的影响规律,为设备的安全运行提供技术支持。     

风力发电机组塔筒的横向振动分析

结合有限元方法和工程计算对风力发电机组塔筒的横向振动进行分析.通过塔筒固有频率和风振频率的对比,判断塔筒容易发生共振的区域.给出并分析塔筒发生横向振动时塔顶最大位移、惯性力和特征弯矩的简化计算方法,并给出算例.计算了塔筒发生横向振动时的疲劳损伤.结果表明塔筒底部容易因横向振动而发生共振.     

基于温度体动网格方法的微弯薄翼振动问题

为研究微弯薄翼转轮在运行过程中存在的振动问题,发展基于温度体动网格模型的流固耦合算法。流体控制方程采用任意拉格朗日—欧拉方法描述下的基于特征线方程的分离算法求解,时间域采用特征线方程进行离散,动量方程采用非增量型分离算法求解。在每个时间步上采用温度体模型生成动态网格,并传递边界条件。温度体动网格方法将边界处的节点位移映射为求解域的温度边界条件,采用固体导热方程作为控制方程求解得到内部节点温度,并将其作为节点的动态位移。数值方法模拟转轮运行在工作攻角时,翼型振动存在的连锁区域。并对连锁区域的范围,涡脱落特性和翼型发生自激振动的可能性进行研究。作为对试验数据的补充,数值模拟还预测了运行在工作攻角附近情况下的连锁区域。     

非定常来流对汽车气动升力瞬态特性的影响

采用大涡模拟与风洞试验相结合的方法,研究了非定常来流下汽车气动升力瞬态特性的变化规律,分析了来流速度脉动频率对气动升力的影响,讨论了对气动特性产生影响的物理机制。模拟计算结果表明：来流速度的脉动频率对升力系数有很大影响;来流以短周期脉动时,升力系数近似呈正弦规律变化;来流以长周期脉动时,升力系数先增大后减小,随后趋于平稳振荡。研究结果表明：尾部流场结构在很大程度上影响气动升力的大小和方向,速度脉动变化引起上下部压差变化进而导致升力变化。     

单、双类圆柱型杆件绕流的大涡模拟研究

通过建立不同拔模角的渐变截面正圆柱型、斜体圆柱型杆件以及阶梯圆柱杆件模型,包括单杆件与双杆件,采用大涡模拟的数值方法,采取涡粘性亚格子Smagorinsky模型封闭方程,对高雷诺数下类圆柱型杆件的绕流流动进行研究。在增加横向速度的条件下,分析了各类杆件模型气动载荷的时域、频域特性,得到了阻力系数、升力系数、周向压力系数的分布规律;分析了尾流漩涡的变化规律,以及由于涡的交替脱落导致的杆件壁面压力的变化。计算结果表明单杆件模型中当拔模角增大时阻力系数的幅值在时间周期上延后出现且幅值减小;双杆件模型中则是拔模角为3°的工况,但斜体放置时拔模角为1°主频最大,同时存在低频的峰值。周期内涡旋脱落产生一个周期升力变化的同时,产生1.5个周期的阻力变化。在气动载荷中升力系数受复杂工况的影响最大,阶梯圆柱型杆件的气动力稳定性较好。拔模角及横向风速影响杆件尾流的分布规律,使得涡的脱落点沿倾角及横向风速的下游方向偏移。     

门座起重机矩形拉杆绕流数值模拟分析

当风载作用于门座起重机矩形拉杆时，旋涡脱落频率将会接近于其本身固有频率，此时拉杆会发生涡激共振，剧烈的振动会引起拉杆的疲劳开裂。为了改善振动情况，通常在拉杆顺风向上开孔，使拉杆的脱落频率远离固有频率，以破坏涡激共振形成的条件。为了研究拉杆上孔的尺寸和分布对改善拉杆振动的影响，对不同拉杆模型进行了研究，得出孔的最优尺寸和分布。     

螺旋桨气动噪声数值模拟和实验研究

针对某飞机螺旋桨开展气动噪声数值模拟和实验研究。气动噪声模拟采用非定常滑移网格方法,运用大涡模拟和FW-H模型获得声学测量点的噪声频谱。实验测量选在露天场地进行整机静态测试。通过螺旋桨各测点声压级计算结果与实验对比分析,证明了数值计算的准确性。基于计算模型和方法,分析了螺旋桨在三种转速下旋转区声压级分布规律。研究表明:旋转区声压级随转速逐渐增大;螺旋桨叶尖涡及前缘分离涡在桨叶表面形成较大压力波动,为螺旋桨主要噪声源。     

梯形扰流筋对风电塔筒疲劳特性的影响

以某MW级风电塔筒为主要研究对象,应用仿真方法研究在塔筒表面增设梯形扰流筋对其疲劳强度的影响。为了降低涡激频率和提高塔筒静强度,应用流固耦合分析确定扰流筋的最优化筋型。根据Davenport功率谱模拟风电塔筒脉动风速时程和风荷载,得到加筋后塔筒上最大疲劳应力的时程曲线,并对比分析了增设扰流筋前后塔筒疲劳寿命的变化。最后应用雨流计数法得到加筋塔筒的变幅荷载谱,并基于材料特性和疲劳理论计算加筋塔筒的疲劳寿命。结果表明：在风电塔筒外表面加扰流筋虽然能有效削弱塔筒涡激振动的频率,但同时会削弱塔筒的疲劳强度,因此需要在确保加筋后塔筒疲劳寿命仍满足设计要求的前提下合理选择筋型。     

均匀流中悬空管道横向共振的数值分析

通过交错网格系统中的SIMPLEC算法求解N-S方程，对均匀来流中的静止管道绕流场进行模拟，验证了模型的可靠性；并应用动网格技术对均匀来流中的悬空管道横向共振流场进行了数值模拟，得出管道横向共振时的升力系数、阻力系数随时间的变化曲线，发现相位突变现象加速了管道的破坏，并在数值模拟的基础上得出了管跨避免涡激共振的临界长度。     

水轮机固定导叶的涡街模拟与振动分析

研究三峡右岸部分机组水轮机固定导叶出水边处的卡门涡街共振问题.根据机组的实际运行情况和产生异常噪声的特点,应用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值分析技术对固定导叶开展出水边处的涡街振动模拟,建立模拟涡街振动的CFD数值模型,采用Fluent软件实现对卡门涡街振动特性的定...     

Response characteristics of a vortex-excited circular cylinder in laminar flow

This paper presents numerical simulation results for vortex-induced vibration of a circular cylinder in laminar flow. A vortex method is implemented to solve the two-dimensional Navier-Stokes equations in terms of vorticity. In order to validate the numerical code, the flow past a fixed cylinder is first investigated for which enough experimental and numerical results are available. Basic characteristics of the dynamic response and vortex shedding for an elastically mounted circular cylinder are then investigated for 70 < Re < 170. The lock-in phenomenon is captured at certain reduced velocities where the lift coefficient takes a considerable value associated with a high amplitude response. The wake structure exhibits the 2S or C (2S) modes of vortex shedding in this range of Reynolds numbers, as opposed to the 2P mode which is observed in the turbulent flow regime. The numerical results are in acceptable agreement with available experimental and numerical data.     

合成射流对钝尾缘翼型气动特性的影响

研究吸力面存在合成射流的情况下,钝尾缘翼型TR-4000-2000流场结构的变化及其升阻力系数等气动特性参数的变化趋势。在相同射流入口速度条件下,采用计算流体力学软件Fluent对相同来流速度不同攻角情况下翼型流场进行非定常数值模拟计算,分析射流前后翼型升阻力系数变化及翼型表面压力的波动状况;在此基础上,对不同射流频率和不同射流速度情况下翼型流场进行模拟计算,寻求最佳射流参数。结果表明,由于射流及尾缘涡的相互作用导致翼型的升阻力特性不断变化,钝尾缘翼型吸力面合成射流有明显的增升减阻效果,在15°攻角时尤为明显,升力系数提高约40%,阻力系数减小约25%。在量纲一射流速度和量纲一射流频率均为1时,射流对翼型的增升减阻效果最佳。     

风力机气动力不对称故障建模与仿真

风力机气动力不对称故障对风力发电机组的安全稳定运行有很大的影响,传统的基于振动的故障诊断方法需要在风力机上安装大量的传感器,成本较高,可靠性也较差。近年来,已有学者采用基于电信号的故障诊断方法对该故障进行了实验研究,但未对该诊断方法进行理论上解释。笔者研究了气动力不对称故障下的风力机的塔架振动和气动力的耦合规律,阐述了造成电功率波动的机理,指出电功率的波动来源于塔架的振动,建立了整个风力机组故障状态下的模型,仿真得到了故障条件下的塔架振动信号与电功率信号,对仿真得到的振动信号与电信号进行信号处理。结果显示其中均出现了叶轮旋转的一倍频分量,与德国ISET等实验研究的结果相符,对开发新的故障诊断算法具有重要意义。     

非光滑表面对汽车尾涡结构的控制分析研究

车身气动阻力直接影响汽车的动力性和燃油经济性,尾涡结构对于车辆空气阻力的形成有很大的影响,非光滑结构在车身的合理布置能有效地减小汽车的空气阻力。为了研究车身非光滑结构对汽车尾涡结构的影响与控制,将凹坑型非光滑单元分别布置在MIRA阶梯背模型尾部、顶部、行李舱盖等表面,运用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值仿真与风洞试验相结合的方法,对比分析车身表面光滑模型与车身表面非光滑模型尾部流场的压力、湍流耗散率、速度矢量等参数的影响,探讨非光滑结构的扰动效应及其对尾涡形成的控制作用,得出非光滑结构能延迟气流分离,控制后风窗上猫眼涡与尾部剪切涡流,也能抑制汽车尾部主涡的生成。为有效控制车辆尾迹中旋涡结构,抑制涡激振动,改善汽车气动特性提供重要依据。     

基于控制方法的风机塔架减振研究

为利用控制方法减小兆瓦级风机运行过程中塔架的振动量,对塔架结构动态特性和塔架激励源动态特性进行了分析研究。以某2 MW机组为例,进行了塔架振动情况评估。基于评估结果,设计了增加气动阻尼的塔架振动控制方法,并进一步设计了直接加阻的主动控制结构,结合振动过大时主动降功率运行手段,实现了塔架振动的控制器干预。在许继WRTS-800和PRDS-600仿真实验平台上进行了仿真验证和等效疲劳载荷计算;在实验风场进行了现场实验,并对实验数据进行了统计分析。研究结果表明,采用该方法,塔架等效疲劳载荷明显减小,主动控制减振效果明显。     

Influence of blade-tower interaction in upwind-type horizontal axis wind turbines on aerodynamics

The blade-tower interaction of upwind horizontal axis wind turbines has become important to aerodynamic loading as the systems become larger. However, there are not enough studies describing these phenomena. To investigate this interaction, we performed numerical simulations for uniform, yawed, wind shear flow conditions, and various tower cases using the nonlinear vortex correction method with time-marching free wake. At 5 m/s, the change in the normal force coefficient is approximately 10% of the average. The blade root region has a larger azimuth range of the interaction and a bigger change in aerodynamic loading. The blade-tower interaction decreases as the yaw error and wind shear exponent increases. The interaction due to tower radius variations is higher than that due to tower clearance variations. With regard to stochastic load, the blade-tower interaction may affect the total fatigue load at low wind speed and in a more unstable atmospheric condition.     

襟翼相对长度对翼型流场结构影响

以NACA0018为基准翼型,采用Fluent数值模拟的方法,对比研究了襟翼相对长度和翼缝相对宽度对翼型流场结构及升、阻力特性的影响;文章分别选取了襟翼相对长度分别为0.2、0.3和0.4和翼缝相对为1.0%,分析襟翼相对长度对翼型气动性能的影响。数值结果表明:由于襟翼对翼型周围主涡发展和变化的影响,不仅改善了翼型的失速特性,同时也提高了翼型的气动性能。襟翼翼型的失速攻角在此次研究范围内均大于基准翼型,在攻角小于失速攻角时,襟翼翼型的升力系数均小于基准翼型,阻力系数均高于基准翼型,但升力系数的最大值均高于基准翼型;随着襟翼相对长度增大,翼型临界攻角逐渐减小;在攻角接近翼型失速攻角时,升力系数先增大后减小;襟翼长度相同时,随着翼缝相对宽度的增大,升力系数逐渐减小。     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

Numerical simulation of wind resonance of a circular profile by means of the vortex element method

The problem regarding the numerical simulation of a circular profile motion in a liquid flow has been studied. To calculate the flow and the aerodynamic loads acting on the profile, the vortex element method is used. The phenomenon of wind resonance has been examined. The investigation has revealed the range of self-frequencies of the circular profile fixed elastically, under which the periodical aerodynamic forces caused by Karman vortexes descend and initiate the resonance aeroelastic oscillations of the profile.