基于滑移网格的小型垂直轴风力机气动性能的数值模拟

建立2D小型垂直轴风机模型,采用滑移网格技术,选用k-ε RNG湍流模型、SIMPLE算法,对模型的气动性能进行了非定常数值模拟研究。分析了垂直轴风机在不同工作时刻的流场情况,研究了速度场、涡量的分布以及风力机总转矩的变化规律。研究结果表明,风力机叶片周围速度存在明显梯度,计算区域在不同时刻的速度分布呈现较大差异。在旋转区域涡量较大,随着远离旋转区域,涡量值迅速减少。垂直轴风力机旋转过程中,风力机的总转矩呈现正负交替变化。     

风力机叶片三维建模与压力载荷分析

利用profili软件和solid works建立2.5 MW风力机风轮三维模型,并将三维模型导入CFX中进行模型的流固耦合下流场风轮和叶片变形分析,得到流场域风轮表面压力和叶片表面压力载荷变化的有限元分析结果。结果表明:风轮表面压力迎风面大于背风面,形成压力差使得风轮旋转,背风面压力最大值出现在叶片上边缘区域。额定风速下叶片表面压力非线性分布,中间区域压力值最大,靠近叶片前缘区叶片震荡越大。额定风速和转速下叶片表面压力出现类似线性分布,叶尖到叶根呈现梯度分布状态,最大压力出现在叶尖部位。     

垂直轴阻力型风力机平均功率计算及分析

垂直轴阻力型风力机可用于风力发电及风速测量,在实际应用中较精确计算风力机功率对进行风能利用评价和风力机站构设计都是至关重要的.本研究通过风力机叶片受力情况分析,给出了风力计算公式和平均功率计算公式,运用Matlab工具具体计算了一小型风力机实例,初步分析了功率与风速、叶片阻力系数等关系,得出了相应的阻力型风力机叶尖速比.分析表明垂直轴阻力型风力机的风能利用率不高,但结构简单、适应性较强.     

垂直轴风力机二维流场特性及变桨规律研究

为了研究H型垂直轴风力机的变桨规律，提高其获能效率，对垂直轴风力机叶片翼型进行空气动力学性能分析，选出升阻比较高的翼型。对优选出的翼型进行二维建模，采用CFD (Computational Fluid Dynamics)方法进行二维流场仿真模拟，得到不同尖速比叶片周围流场的变化规律，据此设计出H型垂直轴风力机叶片并进行三维建模。分析叶片旋转一周所受力矩的变化，即某一方位角不同桨距角下力矩的变化趋势，得出垂直轴风力机旋转一周的变桨规律。该研究对H型垂直轴风力机的开发和工程应用具有一定的参考价值。     

H型垂直轴风力机实时高效攻角调节方法研究

叶片攻角是影响垂直轴风轮气动特性最重要的因素之一。针对一种1 kW H型对称翼垂直轴风力机,以获取最大风能利用率为目的,得到了叶片在上风区和下风区应保持的理论最佳攻角分别为10.7°和-10.7°。鉴于现有风轮运行一周过程中,叶片攻角呈类正弦规律变化,未能保持在理论最佳值附近;同时由于风轮上风区和下风区的诱导速度分布规律不同,故提出采用分风区的方法研究实时高效攻角调节规律。首先利用双致动盘多流管理论计算出上风区叶片攻角的变化情况,建立叶片安装角与攻角的关系,通过调节安装角使叶片攻角在上风区保持在理论最佳值附近。考虑到下风区流场分布复杂,采用数值模拟方法确定下风区各个方位诱导速度的大小和方向。在此基础上,提出风轮下风区局部叶尖速比的概念,建立下风区叶片攻角的精确计算公式,并获得下风区叶片理论最佳攻角的调节策略。最后利用双致动盘多流管理论对提出的上风区和下风区叶片攻角的调节规律进行了验证。计算结果显示:在额定风速下,与原始风轮相比,调节攻角后H型垂直轴风轮的风能利用率提高了11.03%。     

升阻复合型垂直轴风力机叶片与涡的相互干扰研究

升阻复合型垂直轴风力机(VAWT)兼具升力型垂直轴风力机风能利用率(Cp)高以及阻力型垂直轴风力机启动性能好的优点。通过研究不同叶尖速比、不同弦长条件下的流场结构,分析叶片与涡的相互作用,揭示了该类风力机的做功机理,解释了不同条件下风力机风能利用率不同的原因。分析结果表明,风力机的涡量对其风能利用率具有直接影响,减小脱落涡可以提升风力机的风能利用率;通过涡量云图分析出的风能利用率与计算得出的风能利用率是相吻合的。     

基于NACA 0018翼型的两种网格类型比较研究

对于一般的CFD分析项目,网格生成约占整个前处理周期的80%~95%,网格划分质量对计算精度和收敛速度有显著影响。文中以200W垂直轴风力机叶片的NACA 0018翼型为目标,分别以两种方法对翼型及流场区域划分网格。通过对比网格质量以及Fluent中的流场仿真结果,发现结构化网格在垂直轴风力机叶片翼型流场分析中具有更高的质量,更适于做气动分析。文中的结论为叶片流场仿真奠定了基础。     

风速特性与风力机组动态特性的仿真与分析

对风剪、塔影和尾流对风速的影响进行研究,建立了风力机数学模型.对某风场中的风速进行仿真分析,结果表明风速相对于原先的风速明显减小,从而使得风力机的输出功率明显比自然风速下的功率要小.对风轮的输出功率和电机的输出功率、风能利用系数和叶尖速比进行了仿真分析,结果表明:在该风场中,所选风力机的输出功率在额定功率以下,风能利用系数和叶尖速比变化范围较小,风力机没有达到合理使用.     

喷管式翼缝对垂直轴风力机气动性能影响研究

具有良好动态性能是垂直轴风力机叶片高效捕获风能的关键,合理的流动控制方法可有效改善叶片气动性能,提高风能利用率。基于二维H型垂直轴模型研究不同椭圆形渐缩式翼缝及其开口宽度对垂直轴风力机动态失速的影响。结果表明,翼缝的主要作用机理是通过控制流动分离以延缓动态失速,较之原始翼型,椭圆形翼缝翼型在尖速比为0.5时转矩系数提高53.8%,显著增强了垂直轴风力机的起动转矩,但在尖速比大于1.5时因流动分离并不明显,从而作用效果并不明显;与传统渐缩式直翼缝相比,椭圆形翼缝因出口处流体与翼型表面相切而未显著影响外流场,从而使其在尖速比较大时功率系数相对更高。此外,椭圆形翼缝因减弱吸力面逆压梯度使叶片失速相位角推迟,从而有效抑制了流动分离,提高了风力机运行稳定性。     

L小翼对风力机气动性能的影响

以NREL 5MW水平轴风力机为研究对象,通过数值模拟方法,研究了未偏航状态和偏航状态下L小翼（β=45°、a=2m）对风力机气动性能的影响。通过分析叶尖处速度矢量图可知,安装L小翼能够降低叶尖扰流下洗速度,改变叶尖环量分布,减小叶尖涡强度,延缓叶尖处气流与叶片过早分离,增大了叶片上下表面压差,在较宽风速范围内提高了风力机的输出功率。当风力机处于偏航状态时,L小翼对风力机功率增升作用随着偏航角度的增大逐渐减小,随着风速的增大,功率增升作用先增大减小,在额定风速时功率增升效果最明显。L小翼增加了叶片转矩的同时降低了叶片输出转矩和轴向力的波动,改善输出电能品质,提高叶片抗疲劳性能,增加叶片使用寿命。     

一种星敏感器系统热设计方法及试验验证

目前,国内机构针对星敏感器的温控研究与设计较少,多集中于星图的图像处理和图像算法的优化。着重以星图中目标能量变化、信噪比、质心定位误差等参数为指标,分析温度对该星敏感器的热影响,从而实现高精度星敏感器在空间复杂热环境下的可靠应用。进一步基于星敏感器的结构及热分布,对星敏感器进行热设计及散热路径优化,提出星敏感器热电制冷器（Thermo electric cooler,TEC）的热控措施。以典型在轨高温工况与低温工况为例,利用有限元仿真软件进行该热设计的有效性与合理性仿真分析。在以上的设计与分析基础上,完成一套温度控制系统,通过模拟星敏感器在高温工况下的环境条件,使用热电制冷方式对星敏感器采取制冷措施,使星敏感器探测器温度维持在20℃±3℃,达到温控指标,保证星敏感器能够在恶劣温度环境下持续提供高精度姿态信息。重点阐明热环境因素与成像质量之间的关系,完成温度与星点识别精度的关联性分析,为后续星敏感器热控设计及定姿精度提升提供参考。     

大功率风力机叶片模态及气动特性分析

对大功率海上风力机叶片模态特性和气动特性进行研究。建立了叶片翼型截面弯扭耦合运动微分方程,通过翼型截面坐标变换和旋转拉伸在UG中建立了国产某型6MW风力机叶片三维模型,运用Ansys/Blocklanczos法计算了叶片前6阶固有模态。在Ansys/Workbench中搭建叶片流场仿真模型,讨论了风速和气动攻角等参数对叶片振动变形的影响。结果表明各阶固有模态中叶尖部位的振型相对明显,随着风速和攻角增大,相同截面位置上的叶片振动变形逐渐增大。     

变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟

应用Fluent软件求解三维定常不可压N-S方程,采用k-ε湍流模型和SIMPLE算法,结合MRF复合坐标系技术,模拟垂直轴风力机（VAWT）的流场特性.获得并分析了不同攻角下的速度场、压力场分布,得到风轮叶片压力分布和转矩值.结果表明绕流场模拟能有效地反应风力机不同攻角下的流场状况,可为垂直轴风力机的工程设计提供理论依据.     

基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

随着风力机向大型化发展,为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度,将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型,通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合,使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL PhaseVI叶片截面的S809翼型,建模得到两种三维风力机叶片,采用数值模拟的方法,对这两种叶片不同风速下的流场进行分析,并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明,在额定风速附近,采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能,在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。     

双层翼叶片几何参数对水平轴风力机气动性能影响研究

为了提高风力机的气动性能,基于NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片,设计出的一种双层翼叶片。通过计算流体力学的方法,在不同来流风速下,对比分析了双层翼叶片与按比例缩放各叶高处弦长的NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片的扭矩与弯矩,研究了叶片实度的影响,发现实度增加并不是双层翼叶片的气动性能优于原始NREL Phase Ⅵ风力机叶片的主要原因。对不同弦长比、垂直距离及水平距离的大小叶片所组成的双层翼结构进行数值模拟研究,利用流线图着重分析了大小叶片水平距离对风力机气动性能的影响,总结了气动性能随双层翼叶片几何参数的变化规律,发现在15 m/s至25 m/s的风速下,选择较大弦长比、较大垂直距离或者较小水平距离的双层翼叶片可得到较高的扭矩值,但弯矩值也会随之增加。     

垂直轴风力机气动性能分析与数值模拟研究

先采用叶素理论对垂直轴风力机叶片受力进行静态的分析,然后采用多流管理论计算出叶尖速比与功率的关系曲线,最后采用滑移网格技术对风力机进行了数值模拟,得到的功率与用多流管理论计算的结果吻合较好.     

CFD 数值模拟在风机叶片设计中的应用

以12．MW水平轴风力机为例,基于Willson理论对其叶片进行设计,再采用三次样条插值函数对设计所得叶片参数进行修正。针对修正前后两组叶片数据分别建模,采用CFD技术分别对两组模型进行数值模拟,然后从风轮流场压力和风速两方面对数值模拟结果进行对比分析。通过对修正前后模型叶轮的功率、压力、流场特性进行比较,得出修正后叶轮模型气动性能优于原始叶轮模型的结论。     

垂直轴阻力型风力机功率计算与Fluent数值模拟

以一小型风力机作实捌,运用2种方法分别计算垂直轴阻力型风力机的风能利用率。一种方法是通过对风力机叶片受力分析,利用风力和功率计算公式,借助Matlab工具计算;另一种方法是利用Fluent软件分析风力机在给定风速下的气动性能,仿真叶片气动流场流态,并计算叶轮的扭转力矩和风能利用系数等参数。比较2种方法的优缺点,有助于垂直轴风力机的设计研发。     

动态格尼襟翼对垂直轴风力机性能的影响

针对垂直轴风力机运行时叶片攻角随相位角呈周期性变化所导致的强非稳定和非定常流动进而引发的气动效率问题,提出在叶片尾缘布置动态格尼襟翼的流动控制方法.以三叶片直线翼垂直轴风力机为研究对象,采用基于SST k伸出高度对垂直轴风力机气动性能的影响.结果表明:在叶片尾缘布置动态格尼襟翼可有效提高风能利用系数,当动态格尼襟翼始终...     

Average Velocity Measurements in Six Automotive Torque Converters Part II: Turbine Measurements

The internal flow fields of two automotive Plexiglas torque converter turbines with three different pumps were examined. A laser velocimeter was utilized to measure the velocity flow field at the turbine inlet and mid-planes in the six different geometry combinations; the stator was the same for all combinations. The turbine geometries differed only by the inlet blade angle, while the pump geometries differed only by the exit blade angle. The torque converter was operated at three different turbine/pump rotational speed ratios: 0.065 (near stall), 0.600, and 0.800 (near coupling point). For all geometries at the inlet plane the flow is fairly uniform in the blade-to-blade direction at all speed ratios. Velocities are most uniform in the core-to-shell direction at high speed ratios, but high velocities move near the shell at lower speed ratios. At the mid-plane, at low speed ratios the velocities are significantly higher near the pressure surface but as the speed ratio increases, the gradient decreases. At low speed ratios velocities are higher near the shell but this distribution becomes uniform at higher speed ratios. In general the flow became more uniform as the speed ratio increased. Variations in the pump exit blade angle had effects on both inlet and mid-plane velocity distributions and are documented. Variations in turbine inlet blade angle altered the inlet and mid-plane flow fields, but less so than the pump variations. A clockwise circulatory secondary flow pattern at the turbine inlet plane was observed for all geometries and, conversely, counter-clockwise circulatory secondary flow patterns at the mid-plane were recorded. Resulting vorticities were found to depend on geometries and speed ratios. The turbine leading edge incidence angles were found to strongly depend on the speed ratio, ranging from positive to negative, as well as pump and turbine blade angles.