水平轴风力机风轮子午面流场结构的实验研究

利用线式互相关PIV系统,采用轴编码器定位周期采样技术,在不同尖速比下对旋转水平轴风力机风轮不同子午面下游流场结构进行测量.分析得到不同条件下的瞬时图、时均图,重点对叶尖涡诱导效应区进行研究.实验结果表明:在风轮下游尾迹中可清晰看到叶轮近尾迹流场中的外部主流区、叶尖涡诱导效应区和中心尾迹区.其中风轮下游尾迹流管廓线是锥形螺旋体;叶尖涡核直径随轴向距离的增加而增大,随着测试方位角的增加,尾迹中各叶片产生的叶尖涡沿螺旋锥形廓线有序地向下游扩散流动;随着尖速比的增加,内部中心尾迹区轴向速度亏损值逐渐增加,并且中心尾迹区的范围逐渐扩大.     

水平轴风力机近尾迹流场结构的实验研究

在风洞开口实验段,应用PIV锁相周期采样技术测试风力机近尾迹速度场,通过分析速度场和涡量场,得到近尾迹流场结构特征。近尾迹中存在具有形态特征强烈的叶尖涡结构向下游不断传播。由风轮旋转轴向外,近尾迹的结构组成依次为中央尾迹区、叶尖涡诱导效应区和外部主流区。在叶尖涡诱导效应区内,涡流诱导效应使流场中存在明显的速度增益区和速度亏损区,且增益区和亏损区关于叶尖涡核中心对称。在研究区域内,叶尖涡向下游运动的轴向位移与尖速比成反比,径向位移与尖速比成正比,使叶尖涡诱导效应区影响范围随尖速比的增加径向扩展、轴向缩小。     

水平轴风力机尾迹叶尖涡运动轨迹的实验研究

利用高频PIV系统采集水平轴风力机下游远至4.5倍风轮直径范围内的尾流数据。首先通过对涡量场云图分析发现叶尖涡"交互跳跃"现象;然后对比不同翼型、风速、尖速比下,1、2、3、4倍风轮直径处的平均涡量值发现:随着尖速比的增加,叶尖涡"交互跳跃"现象提前发生;随着风速的增加,叶尖涡"交互跳跃"现象推后发生;得出叶尖涡"交互跳跃"现象的出现是尾流速度开始恢复的标志。而NACA4415翼型叶片发生叶尖涡"交互跳跃"现象的时间比S翼型叶片推迟,所以NACA4415翼型叶片的尾流速度恢复比S翼型叶片推迟。     

水平轴风力机尾迹流场PIV实验研究

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,利用PIV粒子图像测速技术对风轮尾迹流场进行了测量。采用锁相平均测量技术,获得了风轮尾迹流场的瞬时速度场、时均速度场、涡量场等有关定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了依据。实验结果表明:风轮叶片尾缘后侧的尾迹中存在轴向速度亏损区。尾迹在叶片尾缘生成后,随即发生膨胀。直到风轮下游2倍弦长以后,尾迹低速区逐渐衰减,轴向速度不断增加,尾迹区同时发生收缩现象。风轮尾迹涡从叶片尾缘脱落后,在向下游发展传播过程中,尾迹涡的涡心所形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线,涡量数值随着螺旋线向风轮下游的延伸而减小。由于风力机叶片数少,相邻叶片之间的尾迹基本上不存在互相干扰的现象。     

风力机近尾迹区域涡量变化规律及噪声的数值预测

采用大涡模拟(LES)和标准κ-ε模型求解风力机近尾迹区域的非定常流动,获得涡量场信息和声源项信息,采用快速傅里叶变换将源项的时域信息转换为频域信息,利用K-FWH声学模型预测其噪声特性。结果表明,风轮在旋转过程中,风力机风轮下游同一截面在不同尖速比下涡量分布规律是从计算截面中心沿半径增大的方向分别经过3个压力脉动变化强烈的区域,它们是计算圆心区域、中心涡区域、叶尖涡区域,计算点在上述3个区域都会出现涡量的峰值;在同一尖速比不同截面下,风轮近尾迹区域涡量的变化规律是沿着X轴正方向远离风轮旋转平面计算截面上的中心涡区域和叶尖涡区域的半径增大,不断向外迁移;计算截面的最大声压级的数值计算值和试验值吻合较好,证明了噪声计算模型的正确性。     

水平轴风力机塔筒近尾迹流场PIV实验研究

应用PIV粒子图像测速技术,在风洞中测量水平轴风力机模型塔筒的近尾迹流场。通过对模型风力机在不同运行尖速比下、不同叶高平面内的塔筒近尾迹速度场和涡量场的分析,得到了塔筒近尾迹流场的结构特征,为水平轴风力机气动设计、性能预测及CFD数值模拟提供了依据。实验结果表明,受到风轮旋转效应的影响,在水平轴风力机塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹在水平面内向一侧明显偏转,近尾迹流场相对塔筒中心轴面呈非对称分布。随着尖速比的减小,塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹涡流宽度逐渐增大,且尾迹向一侧偏转的程度也越大。风力机叶片对塔筒近尾迹涡流的影响,在叶根部位高度平面内尤为显著,随着叶片高度的增加,叶片对塔筒近尾迹涡流的影响逐渐减弱。     

风力机近尾迹叶尖区域气动噪声变化规律的数值研究

在采用LES计算流场的基础上,提高时间分辨率,利用K-FWH方程所定义的声源积分面形成声波辐射特征,采集设计来流风速最佳攻角状态下叶轮尾迹流场的声场数据。重点研究风轮叶尖尾迹区域高幅值的频率噪声及其谐波分布和传播以及不同区域噪声相互影响的声辐射特征。计算结果表明:风轮在旋转过程中,叶轮基频声压能量在叶轮尾迹声辐射中占主导地位,而且由叶尖涡引起的涡流声辐射也较重要,基频谐波的能量耗散相对较慢,致使频谱图中峰值部位较多,但随着频率的不断增加,基频谐波的能量耗散速率也在加快。叶尖涡的运动轨迹,随着监测点远离旋转中心沿X轴正向距离的增大,具有叶尖涡影响的声压值变化特征的监测点沿径向外移并近似于线性关系。     

基于叶片弯振后风轮尾迹流动及气动噪声研究

基于动网格技术,通过编写UDF代码成功实现了叶片的一阶弯振及一二阶叠加弯振。数值模拟过程中,采用大涡模拟(LES)分析刚性叶片与低阶弯振后风轮近尾迹速度与涡量特征。运用FW-H方程,以风轮表面为声源面,通过选取不同测试线上的监测点分析叶片不同运动状态下辐射声频谱及声压级变化。研究结果表明:施加振动后,在0.71R处出现轴向速度亏损,且在叶尖位置亏损最大;振动风轮整体噪声增大。文章通过研究模拟振动风轮的尾迹流动和噪声分析,为实际运行的风力机产生的气动噪声及声辐射传播特性提供一定参考。     

基于SPIV的风力机叶尖涡与尾流流场相关性研究

采用三维粒子图像测速方法(SPIV),研究两种不同尖速比下的水平轴风力机叶尖涡演变过程及尾流速度流场特性。通过锁相技术,首次实现风力机下游远至2.7倍直径范围内的尾流数据采集,完整揭示叶尖涡发展湮灭的过程及其对尾流流场的影响。尾流轴向速度呈先减小至最大尾流衰减率后再逐渐恢复的规律,且发生该最大衰减率的位置与叶尖涡的运动密切相关;分析叶尖涡对尾流速度恢复的阻滞作用,提出以叶尖涡"交替跳跃"现象作为风力机近、远尾流区分界点标志的依据;在此基础上推导风力机近尾流区长度的计算公式。     

风剪切来流下风力机流场特性与风轮气动载荷研究

以某33 kW两叶片水平轴风力机的风轮为研究对象,采用CFD方法,研究风剪切来流下水平轴风力机流场特性与风轮气动载荷的分布规律。结果表明:在剪切来流下,风轮上游来流风速随方位角的波动曲线偏离由理论计算得到的风速波动曲线;尾流区轴向速度呈现非对称性分布,轮毂上方叶尖涡和叶根涡的移动速度大于轮毂下方叶尖涡和叶根涡的移动速度;同时,风力机叶片和风轮的气动载荷随方位角呈现正余弦的变化趋势,风轮气动载荷功率谱曲线的峰值对应的频率与叶片通过频率的整数倍相关。当风剪切指数由0.1增大到0.5时,风轮转矩和推力的均方根分别减小2.28%和1.43%,但其波动幅值随风剪切指数的增大而增大,并且风轮转矩和推力随方位角的波动曲线存在相位偏移现象,风剪切指数越大,相位偏移现象越明显;风轮偏航力矩和倾覆力矩的均方根分别增大4.07倍和4.04倍,且其波动幅值随风剪切指数的增大而增大。     

有叶扩压器内部流场的PIV实验测量

采用可以获得瞬时速度场的PIV技术对有叶扩压器内的流动进行了实验研究,测量了不同流量工况下的有叶扩压器内部流场,对实验数据采用整体平均法进行了处理,得到了显示各流量工况下的速度场分布图,并对其进行了分析和讨论。     

半干法烟气脱硫塔内速度场研究

PIV技术作为一种先进的全场瞬态测速技术，已经在单相和多相流动研究领域中得到广泛的应用。半干法烟气脱硫塔内的速度分布直接影响烟气和脱硫剂的混合及反应接触情况，尤其是在主床底部，气固两相流场较为复杂，此处的气固流场对整个系统脱硫效率有比较大的影响、利用PIV技术对半干法烟气脱硫塔内的流场进行了研究，得到了底部测试区域颗粒的速度分布。     

PEMFCs flow microstructure analysis by advanced speckle technologies

An advanced optical technique based on digital version of μ-PIV and speckle technologies has been applied for flow microstructure analysis in a semi-transparent model of a PEM fuel cell. The line-of-sight speckle photography has been used for quantitative measurements of the instantaneous temperature fields in 3D unsteady flows. Using μ-PIV, the sequence of flow images has been visualised by micro-particles. The images obtained have been evaluated then by cross-correlation and autocorrelation techniques and instantaneous temperature, velocity and vorticity maps have been obtained with sub-millimeter spatial resolution. Up to 250,000 quantitative velocity vectors are reconstructed simultaneously using one digitally recorded specklogram.     

水平轴风力机的推力型工作原理

在水平轴风力机升力型工作原理的基础上提出一种新的推力型工作原理,提供一项显著提高风力机风能利用系数的桨尖喷气技术,即充分利用传统升力型风力机风轮旋转离心力在除去整流罩的空心轮毂内产生的低压,将轮毂前方的气体吸入,并通过中空的桨叶,再从桨尖处预先设置的切向孔中与旋转方向反向喷出,从而产生推动风轮旋转的“辅助”转矩,并使发电量和风能利用系数大大提高。大量的风洞对比实验证明,桨尖喷气技术可以提高风力机输出功率30%以上。     

预弯外形对风力机叶片气弹稳定性的影响

为了研究预弯外形对风力机气弹稳定性的影响,以某2 MW低风速风电叶片为研究对象,采用外形参数化表达方法构造叶尖预弯量分别为3、4和5 m的叶片.基于SIMPACK软件建立并验证气-弹-控耦合的风力机整机模型,对配装不同预弯叶片的风力机进行仿真分析.结果显示,在湍流风况下,随着叶尖预弯量的增大,叶根载荷、叶尖附近截面的气...     

Level Set-based Topological Shape Optimization of Nonlinear Heat Conduction Problems

A level set-based topological shape optimization method is developed for nonlinear heat conduction problems. While minimizing the objective function of instantaneous thermal compliance and satisfying the constraint of allowable volume, solution of the Hamilton-Jacobi equation leads the initial boundary to an optimal one according to the normal velocity field determined from the descent direction of the Lagrangian. To overcome the convergence difficulty in nonlinear problems resulting from introduction of an approximate boundary, an actual boundary is identified by tracking the level set functions and remeshing using Delaunay triangulation. The velocity field outside the actual domain is determined through a velocity extension scheme.     

Experimental study on turbulent structure of humid air flame in a bluff-body burner

The main objective of the present experimental study is to analyze the turbulent structure in humid air non-premixed flame, and determine the effect of humidity on the flow field and the flame stability limit in turbulent non-premixed flame. Particle Image Velocimetry (PIV) is used to capture the instantaneous appearance of vortex structures and obtain the quantitative velocity field. The distributions of Reynolds shear stress, mean and root-mean squared fluctuating (rms) velocities are examined to get insight into the effect of fuel-to-air velocity ratio on velocity flow field. The results show that with steam addition, the air-driven vortex in the bluff-body wake is thinner; the biggest peaks of rms velocity and Reynolds shear stress are lower; the distance between the peaks of rms velocity on the sides of centerline reduces. Besides these, the flame stability is affected. Both central fuel penetration limit and partially quenching limit reduce with steam addition.     

Solidification of a supercooled liquid in stagnation-point flow

The solidification of a thermally supercooled liquid in stagnation-point flow is investigated. Due to the advancing solidifying front, both the temperature and flow fields are time dependent. A numerical solution to the problem using an interface tracking method is compared to analytical solutions obtained for instantaneous similarity (short time solution) and quasi-steady state (long time solution). The results show that the velocity of the solid-liquid interface eventually reaches a constant value and that the magnitude of the interface velocity increases with greater thermal supercooling. The solution to this problem provides insight into more complicated solidification problems relating to crystal growth.