基于扰流技术的直叶片升力型垂直轴风轮的性能改善

提出采用扰流方法,来解决因局部方位角的叶片攻角极小而导致整体H型风轮性能较低的问题。基于双盘面多流管模型,分析了尖速比分别为5和6时,扰流对叶片攻角、切向力系数和转矩的影响规律。计算表明:扰流作用下,在0o≤θ≤15o和345oθ≤360o引流范围内,攻角增幅随着方位角的增加而增加;在175o≤θ≤185o范围内,随方位角的增加而减小;相同引流域内,随着尖速比的增大而减小。扰流对0o方位角性能改善效果比180o方位角明显,切向力系数和转矩的增幅在0o≤θ≤15o扰流范围内较大,345oθ≤360o次之,175o≤θ≤185o范围内增幅最小。研究了扰流角对风轮性能的影响规律,研究表明适当增大0o和180o处的扰流角可以提高风轮性能,扰流角增加相同幅度,上盘面的转矩的提高幅度更大。     

绊线对H型风轮启动特性的影响

为了提高H型风轮的启动性能,在叶片上安装绊线对风轮进行流动控制,通过对某三叶片H型风轮进行风洞试验,得到风轮在不同相位位置的静扭矩分布以及启动过程中转速随时间变化曲线。分析绊线在不同风速下对H型风轮启动特性的影响效果,并确定绊线作为流动控制手段的适用风速范围。结果表明：绊线使得风轮在大部分相位位置处的静扭矩得到提高,但是在个别相位位置的静扭矩减小;从启动曲线角度来看,在风速10~12 m/s,绊线能够缩短风轮的启动时间,增大风轮的最大空载转速;在风速13~14 m/s,绊线略微缩短风轮启动时间,有/无绊线风轮几乎对应相同的最大空载转速;在风速15~18 m/s,有/无绊线风轮在线性加速段的转速曲线几乎重合,绊线使得风轮的启动时间延长,最大空载转速得到提高。因此,在低雷诺数工作条件下,绊线对于提高H型风轮的启动性能和功率输出是有效的流动控制手段。     

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。     

大型火电机组轴流风机运行特性及内流特征的数值模拟

应用流体计算软件Fluent对某600MW大型火电机组配套的SAF两级动叶可调轴流引风机的内流特征及运行特性进行模拟分析。研究表明:正常状态下风机内静压沿轴向先增大后减小,动压仅在扩压器区及集流器区出现较大变化,动叶轮的升力作用主要转化为流体静压,全压的增加则主要来自静压的增大;风机动叶出口截面总压呈现高压区与低压区交替出现的周向对称性分布,但第二级动叶出口总压分布的对称性要比第一级的差;叶片压力面与吸力面间的静压差沿叶高方向逐渐增大,表明叶片中上部的做功能力较强;相同流量下随着动叶安装角的减小,叶片压力面与吸力面速度变化梯度减小,做功能力减弱,风机的全压升逐渐减小。     

双叶片螺旋离心泵固液两相流特性研究

为研究双叶片螺旋离心泵叶轮内固液流动特性,采用Eulerian多相流模型,扩展的标准k-ε湍流方程以及SIMPLE算法,应用流体动力学软件对双叶片螺旋离心泵叶轮内固液两相湍流进行了数值模拟。分析了多粒径及初始固相体积浓度条件下的固相体积浓度分布规律。通过分析可得到固体颗粒存在由叶片压力面向吸力面迁移的趋势,同时有从轮毂侧向轮缘侧运动的趋势;通过外特性分析得到了相同粒径下水泵扬程随固相浓度的升高而减小,相同固相浓度下水泵扬程随粒径的增大而减小的变化趋势。     

矿浆泵内转速对固液流体速度矢量分布的影响分析

为了研究转速对深海采矿矿浆泵内部流动特性及对工作性能的影响,应用欧拉模型,RNGκ-ε(Renormalization-groupκ-ε)湍流模型及SIMPLEC算法,对矿浆泵叶轮及空间导叶内固液两相流场进行数值模拟,研究叶轮叶片和导叶叶片的绝对速度分布及外特性的影响。结果表明:随着转速n的增大,叶轮流道区域内的边界层更易分离,过流能力减弱,在叶轮出口处,射流-尾迹结构越强,水力损失越严重。空间导叶流道进口处的冲击更加猛烈,此区域流动愈加混乱,在导叶压力面进口处出现了范围更大的二次流。但随着转速n的增大,混合流体在导叶吸力面进口处的流动分离被抑制了,增大了过流能力,减弱了水力损失。     

变转速工况下离心泵蜗舌处压力波动的试验研究

对某一单吸离心泵在变转速工况下蜗舌处的压力波动进行了测量与分析。该离心泵的叶轮为半开式叶轮并具有背叶片,它由原叶轮车削后得到,从而使得叶轮出口离蜗舌距离较大。结果显示:随着转速的提高,离心泵的流量及效率线性增大,而扬程以二次曲线形式增加。该离心泵蜗舌附近的压力波动频谱以叶轮转动频率整数倍的离散分量为主,特别是叶片通过频率及其二次谐波。最大波动分量的幅度占参考动压ρv22/2(v2为叶轮出口周向速度)的0.5%左右。随着转速的增大,压力波动的增加速度比转速提高速度快,且宽频波动幅度的提高比离散分量显著。另外,频谱分量中存在叶轮转动频率非整数倍的离散分量,以及与转速无关而取决于流体系统固有振动特性的离散分量。     

离心叶轮分流叶片位置与扩压器相互影响的模拟研究

叶轮分流叶片周向位置改变,将对叶轮与扩压器内部流场产生干扰。对带分流叶片离心压缩机叶轮及扩压器流场进行数值模拟,结果表明:当叶轮匹配叶片扩压器,分流叶片向主叶片吸力面偏置较居中时,叶轮进出口压比降低3.66%,平均出口气流角增加1.54°;分流叶片向主叶片压力面偏置相比于居中,叶轮进出口压比增加1.85%,平均出口气流角增加2.09°,分流叶片吸力面侧低能区减小,气流分离受到抑制,叶轮效率提高。因此分流叶片向主叶片压力面偏置有利于提高叶轮性能。但由于分流叶片偏置后叶轮平均出口气流角较居中时变大,对扩压器叶片形成正冲角,在叶片背弧处产生了分离涡,造成扩压器内流场混乱,使扩压器效率降低。因此,分流叶片偏置后与之相匹配的扩压器叶片的安装角也要相应改变,以抑制扩压器内的分离涡及二次流,提高整级效率。     

倾斜叶片垂直轴风力机气动性能的CFD研究

为了研究叶片倾斜对风力机气动性能的影响,采用三维流体计算软件FLUENT模拟了简化的倾斜叶片和直叶片风力机在自由空间的流场特性。研究表明,叶片倾斜能在不降低风力机风能利用率的情况下大幅度减小叶片上产生的驱动力矩的振动幅度;但是由于叶片倾斜产生的旋转半径的变化和对流场的改变,使得叶片在中间区域得到较低的力和力矩,在底端由于降低了翼尖涡流的影响增大力和力矩,而在顶端则相反地减小了力和力矩。     

基于CFD-DEM的离心泵叶轮磨损特性研究和优化设计

为研究叶轮几何参数对离心泵叶轮磨损特性的影响,采用CFD-DEM耦合方法计算了离心泵的内固液两相流动及颗粒对叶轮的磨损。采用响应面方法,以效率和平均磨损率为优化目标,完成了叶轮的优化设计。结果表明：叶片出口安放角、进口安放角和包角显著影响了离心泵叶轮的磨损特性。出口安放角为27°时磨损最严重,继续增大出口安放角,叶片吸力面中间位置和压力面出口位置磨损明显改善;随着进口安放角的增大,叶片的磨损严重区域从吸力面中间部位向进口方向延伸;随着包角增大,磨损严重区域向叶片中间部位偏移;优化后的离心泵扬程效率均有提升,叶轮磨损严重区域的最大平均磨损率从9.7×10^-9 kg/s降低到6.5×10^-9 kg/s,叶轮的抗磨损性能明显改善。     

高压涡轮动叶吸力面气膜冷却特性研究

为了研究某航空发动机高压涡轮动叶吸力面的气膜冷却特性,通过数值模拟的方法,采用SST κ-ω湍流模型,分析了高压涡轮动叶在静止和旋转条件下,吸力面气膜冷却效率的影响规律.结果表明:在静止条件下,相同主流湍流度时吹风比对吸力面气膜冷却效率影响显著,冷却效率随着吹风比的增大而减小;在小吹风比下,气膜冷却效率随着主流湍流度的...     

Large-eddy simulation analysis of turbulent flow over a two-blade horizontal wind turbine rotor

Unsteady turbulent flow characteristics over a two-blade horizontal wind turbine rotor is analyzed using a large-eddy simulation technique. The wind turbine rotor corresponds to the configuration of the U.S. National Renewable Energy Laboratory (NREL) phase VI campaign. The filtered incompressible Navier-Stokes equations in a non-inertial reference frame fixed at the centroid of the rotor, are solved with centrifugal and Coriolis forces using an unstructured-grid finite-volume method. A systematic analysis of effects of grid resolution, computational domain size, and time-step size on simulation results, is carried out. Simulation results such as the surface pressure coefficient, thrust coefficient, torque coefficient, and normal and tangential force coefficients are found to agree favorably with experimental data. The simulation showed that pressure fluctuations, which produce broadband flow-induced noise and vibration of the blades, are especially significant in the mid-chord area of the suction side at around 70 to 95 percent spanwise locations. Large-scale vortices are found to be generated at the blade tip and the location connecting the blade with an airfoil cross section and the circular hub rod. These vortices propagate downstream with helical motions and are found to persist far downstream from the rotor.     

风力机动态偏航时对风轮气动性能影响的数值模拟研究

本文是对动态偏航风力机输出功率和风轮表面的压力分布进行了研究。以某S翼型风力机叶片为研究对象,采用有限元方法,模拟叶片在额定工况下以10°/s的旋转速度从正对来流风开始顺时针匀速偏转30°。在动态偏航过程中取10°,20°两个偏航角位置时的风轮表面气动力及5°,10°,15°,20°,25°,30°六个偏航角下风轮的输出功率分别进行气动力及输出功率对比,结果发现:同一偏航角下,风力机动态偏航时,三支叶片间存在不平衡气动力;同一偏航角同一叶片相同径向位置,风轮动态偏航时压力面与吸力面的压强差小于风轮静态偏航时压力面与吸力面的压强差。风力机发生动态偏航时,风力机受气动力变化幅度较大,输出功率会较大波动。     

某压气机静叶叶型气动特性的实验研究

对重燃压气机第七级静叶根、中、顶3个截面的叶型进行了气动性能吹风实验。实验结果表明：叶型损失的主要部分由叶型吸力边的扩压流动产生,合理选择叶型吸力边扩压段的长度与沿扩压段的扩压速率,能够减少叶型损失。在不同冲角下各型面叶型都具有良好的气动特性。     

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。     

三叶片直线翼垂直轴风力机非定常流场速度分析

垂直轴风力机在回转过程中,叶片尾流的相互干涉和叶片攻角变化,使垂直轴风力机周围流场异常复杂。为探明直线翼垂直轴风力机在二维流场中速度分布及风力机叶片迎风角度变化关系,在风洞试验中采用激光多普勒测速仪(Laser Doppler velocimetry,LDV)技术,对所设计的三叶片直线翼垂直轴风力机流场风速进行试验研究,获得了该风力机叶片周围流场的速度分布情况。在建立直线翼垂直轴风力机在不同转速下叶片迎风角度变化的数学模型基础上,应用仿真软件对被测风力机流场进行分析计算。通过数学模型得知,来流风速夹角随回转角的变化情况可用正弦函数近似表示, 并且随着叶尖速比的增大逐渐减小。风洞试验和CFD结果表明,风力机在回转过程中,叶片前缘场域有乱流生成,并且该域风速值偏大;而在叶片旋转内部以及下流区域内会形成一个宽大的低速区域,并且伴随叶尖速比的增加,低速区域具有扩大趋势。     

CFD investigation on the flatback airfoil effect of 10 MW wind turbine blade

The flatback airfoil effect on the inboard region of a large wind turbine blade was investigated by numerical analysis. Complicated flow phenomena in wind turbine blade with flatback and non-flatback airfoil were captured by Reynolds-averaged Navier–Stokes flow simulation with shear stress transport turbulence model. Although both airfoil blades were designed using blade element momentum theory to produce identical shaft power, results of three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) flow analysis indicated that at a specific location of the root area, the flatback airfoil improved the inboard force by approximately 6 % compared with the non-flatback airfoil. We were also able to confirm that by using the flatback airfoil, the overall shaft power throughout the blade increased by 1 %, thereby restraining the bending moment exerted by the thrust force on the hub by 0.5 %. Moreover, numerical analysis results indicated that the flatback airfoil blade reduced the size of the secondary vortex around the blade root area and its progress in the secondary direction in comparison with the non-flatback airfoil blade. The shape of the flatback airfoil on the trailing edge weakened the adverse pressure gradient migrating from the lower to the upper surface. Regardless of the flatback airfoils, the tip vortex core of the outboard region formed on the suction surface leading edge and strongly rolled up by the pressure surface boundary layers due to the large pressure difference between the suction and pressure surfaces in the blade tip region. This remarkable strong tip vortex developed downstream and raked up the boundary layer of the blade trailing edge with low energy.     

冷气掺混对涡轮叶栅气动损失影响的试验研究

对某型涡轮平面叶栅,在不同的主流雷诺数下,以多种喷射方式和不同的流量比喷射冷气,研究型面压力分布及出口气流场参数的变化。试验结果表明,冷气入射对叶片表面静压分布几乎没有影响,只对冷气孔位置附近压力产生影响,相对来说,压力面入射冷气导致的变化小于吸力面。随进口马赫数升高,在相同的冷气流量比下流动总压降低。然而,在相同的马赫数下,随着冷气流量比增大,压力面入射跟吸力面入射导致的总压变化规律不一样。     

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。