基于遗传算法的竖轴变攻角潮流能水轮机性能优化研究

为了提高竖轴变攻角潮流能水轮机能量利用率,建立了该类水轮机在不同工况下的数学优化模型,以直叶片摆线式水轮机为原型应用遗传算法结合计算水轮机水动力的流管模型进行优化求解,给出了优化后叶轮能量利用率系数、叶片攻角和偏角随位置角的变化规律,并据此分析了该类轮机流体动力性能改变的规律及其原因。计算结果表明遗传算法是解决这类问题的有效方法.     

一种竖轴潮流发电水轮机性能优化方法的初步研究

从水轮机水动力学原理出发,建立了提高竖轴变攻角潮流发电水轮机能量利用率的优化方法和数学模型．该模型以叶片偏角随位置角的变化规律为优化参数,以水轮机工作速比范围内的能量利用率系数为优化目标,采用基于动量定理的多流管模型来求解流体动力．选取竖轴直叶摆线式水轮机为优化原型进行了优化计算,给出了优化后水轮机的能量利用率以及攻角随位置角的变化规律．通过与不同偏心率的摆线式水轮机的能量利用率及攻角随位置角变化规律的对比,分析了优化后水轮机水动力性能改变的规律及原因．结果表明,在优化速比范围内,水轮机叶片不同位置角处的水动力攻角都有所增大,作用于叶片上的力以及叶片受力对水轮机中心的力矩也相应增大,从而提高了水轮机的能量利用率。     

垂直轴潮流能水轮机叶片偏角优化

为提高垂直轴潮流能水轮机的能量利用率,建立了叶片偏角变化规律的数学优化模型.该模型是将一个运动周期内的叶片偏角相对位置角的函数关系表示成Hicks-Henne函数族的线性和,并将此函数关系带入叶轮的水动力计算中.然后以函数族的系数为设计参数,以水轮机能量利用率为目标函数,采用旋转方向法进行优化计算,以此得到最合理的叶片偏角变化规律.计算叶轮的流体动力性能时采用双盘面多流管法.最后,采用本文方法对摆线式水轮机进行了优化.算例结果显示,采用优化偏角的水轮机与原摆线式水轮机相比,能量利用率有较大提高,并且启动性能更好.     

Darrieus垂直轴风力机的双盘面随动流管模型

针对现有垂直轴风力机流管模型中未经充分实验验证的流管假设,提出了一种针对垂直轴风力机的空气动力模型———双盘面随动流管模型.模型整体采用双盘面单流管模型,局部采用随动流管模型,同时考虑了叶片的动态失速效应,并结合了Gormont动态失速模型.其中,双盘面单流管模型假设风轮的上下盘面均具有各自恒定的来流风速;随动流管模型假设叶片的相对局部风场中存在随动流管,流管方向与叶片相对风速方向一致,并随叶片实时运动.在Matlab中建立了模型并进行了系统计算,通过与实验数据的对比分析发现,该模型可较好地预测风力机的整体气动性能.同时研究结果表明:为了较准确地预测风力机在低尖速比范围内的气动性能,动态失速效应是不可忽略的.     

双层垂直轴水轮机性能计算的当量密实度法

为解决流管模型在双层垂直轴水轮机性能计算中的数值发散问题,提出了一种流管模型的修正方法——当量密实度法。当量密实度法将双层垂直轴叶轮的计算与单层垂直轴叶轮的计算进行类比,将双层叶轮变换成为单层叶轮,减少了流管模型的计算盘面数,从而避免了数值发散问题。先利用某型单层垂直轴水轮机的实验数据和CFD(computational fluid dynamics)计算数据,对流管模型数值程序的有效性进行了验证,同时分析了流管模型在计算双层叶轮性能中存在的困难。给出了当量密实度法的理论,并利用CFD计算结果对新方法的数值程序进行了验证,对结果进行了分析。分析结果表明,当量密实度法的计算结果与CFD计算结果基本吻合,当量密实度法可以应用于双层垂直轴水轮机的性能估算。     

基于双多流管模型的同步变桨垂直轴风力机特性分析

针对基于叶素理论对同步变桨垂直轴风力机进行性能分析的问题,研究了叶素理论和双盘面多流管模型,阐述了这些模型所做的假设和所适用的领域.分析了双盘面多流管模型的流管宽度特征,指出了该特征即为其在运算中出现不收敛现象的原因,针对该特征进行了改进后,可以明显改善运算不收敛现象并且提高计算速度.对同步变桨垂直轴风力机进行了理论分...     

潜艇舱室进水情况下的应急挽回操纵预报

为了研究潜艇舱室进水情况下应急挽回时的运动规律、姿态变化规律以及成功挽回的能力,在潜艇空间操纵运动模型的基础上,考虑潜艇处于大攻角状态时的水动力系数对潜艇操纵运动的影响,结合潜艇大攻角及螺旋桨变负荷的拘束船模水动力试验,建立了潜艇大攻角应急挽回操纵模型,并借助Laval喷管流动模型建立了高压气应急吹除压载水舱模型.针对潜艇处于大深度特殊工况时的舱室进水事故,对发生事故时潜艇成功挽回的能力以及挽回过程中潜艇姿态和状态等进行预报.分析结果表明,依据文中建立的模型能够较好地预报潜艇舱室进水时成功挽回能力和运动规律,解决了以往预报中结果发散、状态参数突变等非线性现象和潜艇大攻角状态时的运动规律预报不准确等问题.     

潮流能自由变偏角水轮机限位角优化方法

针对潮流能水轮机中的水动力问题,采用基于粘性CFD理论的多体耦合数值模拟方法对影响潮流能自由变偏角水轮机水动力性能的重要参数限位角进行研究.通过对比不同限位角下叶片偏角和水轮机转矩变化规律,阐明了限位角对水轮机运动特性和动力特性的影响规律.以水轮机功率最大化为优化目标,提出了限位角参数优化选取方法,并进行了实例验证.研究表明:当叶片摆动到限位角时,偏角由限位角的大小决定,限位角上限和下限对偏角的控制区域不同,这样可以通过单独调节限位角的上限或者下限分别改善叶片在不同方位角处的水动力特性.     

相位角对双机组立轴水轮机的水动力性能影响

为了研究相位角对双机组两叶片垂直轴潮流能水轮机的水动力性能影响,采用CFD数值模拟方法,计算了不同初始相位角下水轮机水动力性能,得到水轮机的效率、叶片切向力系数及法向力系数的变化规律,并通过速度矢量图和压力图的细节分析,解释变化机理。研究结果表明:双机组潮流能水轮机效率比两个单机组水轮机工作效率高,特别在中高速比时更明显。除0°以外的相位角下水轮机总效率相近且高于0°时的效率。90°相位角时两个机组的效率曲线基本重合,且此时叶片受力系数小,叶尖高压区域也小,从而受到压力较小。选取90°作为初始启动相位角既可以提高双机组水轮机效率又可以减小叶片受力,增加水轮机的使用寿命。     

摆线式水轮机在二元对称导流管中工作时的水动力计算方法

提供了一个计算摆线式水轮机在二元对称导流管中工作时水动力性能的计算方法,该方法认为导流管只对水轮机的诱导周速比有影响,并应用动量定理推导出了导流管存在时诱导周速比的计算公式,利用这个方法对“1kW直叶片河流发电装置”的水轮机进行了计算,计算结果与实验结果比较表明,产生的误差是工程中可以接受的.     

尾缘射流式垂直轴风力机气动特性数值分析

为抑制翼型表面流动分离并提高风力机叶片气动性能,将可靠性较高的吹气射流技术应用于垂直轴风力机叶片尾缘。采用数值模拟方法分析不同尾缘射流角度对垂直轴风力机风能利用系数、力矩系数及单叶压力与整机涡量的影响。模拟结果表明:在最佳尖速比(2.63)时,10°射流可以有效降低翼型尾缘脱落涡频率,有效控制叶片尾迹效应,整机效率及运行稳定性均优于0°尾缘射流式垂直轴风力机;在较低尖速比时,风力机单叶力矩峰值均集中在120°相位角,尾缘10°射流对整机力矩系数有显著提升效果;在较高尖速比时,单叶翼型压力面存在较大正压区,风能利用系数最大可提高11%左右,气动性能明显优于无射流垂直轴风力机。尾缘射流降低了风力机叶片所需承受的轴向载荷,提高了风力机输出功率。不同角度尾缘射流均能有效降低叶片表面流动损失进而延缓流动分离,数值结果为尾缘射流式垂直轴风力机的工程应用提供了部分参考价值。     

A study on flow fields and performance of water wheel turbine using experimental and numerical analyses

In this paper, an analysis of the performance and flow fields of water wheel turbines for tidal energy extraction is carried out using experimental and numerical methods. The purpose of this work is to develop a water turbine suitable for sites, where fast and shallow surface flows are available, such as rivers or tidal currents. For both methods, the water wheel turbine is tested over a range of tip speed ratios with a differing number of rotor blades, ranging between three and twelve. The results indicate that the numerical simulation shows agreement with the experiment in most cases. Also, the water wheel turbine operates effectively at a range of small tip-speed ratios, where the highest turbine efficiency is produced. Under the same working conditions, the turbines using between six and nine blades generate a greater efficiency and cause lesser reverse flows than others when submerged in water. In contrast, the 3-bladed turbine is the least efficient design as it produces the lowest amount of energy and causes intense vibrations and noises. These noises are a result of a collision between the incoming flow of the channel and the wheel blades during the experimentation, especially at high load conditions. By adding more blades, the torque generated is improved considerably; however, the upstream and downstream depths of the turbine, in this case, are also elevated significantly. Furthermore, in the inlet region, the 3-bladed and 6-bladed turbines have a smaller shock loss and a lower resistance to the main flow from the inlet than the others. Meanwhile, it is found that the flow in the outlet region on the turbines with between nine and twelve blades is in the opposite direction to the wheel’s rotation, significantly obstructing the main flow from the inlet.     

竖直轴潮流发电水轮机调距机构设计

为了进行竖直轴潮流发电水轮机的水动力性能模型试验研究,需重点设计该水轮机的叶片调距机构.在分析现有叶片控制机构的设计思路基础上,提出了一种双偏心机构与双曲柄六杆机构相结合的新型竖直轴水轮机调距机构.对该机构进行了运动学分析,应用相关软件对其进行运动仿真,验证了该方案设计的合理性,并分别给出了工作原理和装配图.所建立的运...     

风力机设计软件WTD1．0气动设计性能分析

为了研究分析风力发电机设计软件WTD1．0（一套基于考虑了流动三维气动效应数学模型的设计软件）的性能,选取一实际的风力机为计算模型。对WTD在叶轮功率计算、叶片的安装角分布、风轮的转速、叶片翼型弦长分布、叶片扭转角分布设计等方面的功能进行了计算分析,并对WTD在叶轮的启动力矩、多叶片（叶片数超过6片）叶轮的气动计算和设计的功能等进行了分析研究。通过计算分析,发现设计软件WTD1．0在叶轮功率计算、叶轮结构尺寸设计、叶轮启动力矩计算及多叶片叶轮计算设计方面均有较好的表现,并能正确地反映风力机叶轮的气动理论,在一定程度上提高了风力发电机的气动设计水平。     

风雨下考虑偏航效应风力机流场及气动载荷

为了研究狂风暴雨环境中大型风力机在复杂工况下的流场特性和气动性能,以南京航空航天大学自主研发的5 MW风力机塔架-叶片体系为例,采用计算流体动力学（CFD）技术开展最不利叶片停机位置下考虑6个偏航角（0°、5°、10°、20°、30°和45°）影响的风力机风场模拟,添加离散相模型（DPM）开展风-雨耦合同步迭代计算,对比研究不同偏航角对风力机周围风场和雨场特性的影响规律. 建立不同偏航角下的风-雨等效压力系数新模型,给出相应的公式,针对风雨作用下的不同偏航角工况塔架和叶片表面等效压力系数进行系统分析. 研究结果表明,附加雨荷载效应对该类风力机叶片迎风面和塔架迎风面两侧各40°区域内压力的影响不容忽视.     

大型风力机叶片三维建模及模态分析

对大型风力机叶片开展了三维建模和模态分析。先确定叶片几何参数,再将其翼型平面坐标转换为空间坐标,并通过Proe生成叶片三维几何模型。采用模态提取方法 Block Lanczos法对叶片进行模态分析,得出了叶片的前10阶模态,结果显示叶片的主要振动形式为挥舞和摆振,有较强的抗扭转能力,设计中应加强叶片的弯曲刚度。这为大型风力机叶片的设计和优化提供参考。     

Development of an aero-thermal coupled through-flow method for cooled turbines

The influence of complicated interaction between the flow field and heat transfer in cooled turbines becomes more and more significant with the increasing turbine inlet temperature. However, classical through-flow methods did not take into account the influence of the interaction caused by air cooling. The aerodynamic design and cooling design of cooled turbines were carried out separately, and the iterations between the aerodynamic design and cooling design led to a long design period and raised the design cost. To shorten the design period and decrease the design cost, this paper proposes a concise aero-thermal coupled through-flow method for the design of cooled turbines, taking into account the influence of the complicated interaction between the flow field and heat transfer in cooled turbines. The governing equations, such as energy equation and continuity equation in classical through-flow method are re-derived theoretically by considering the historical influence of cooling with the same method that deals with viscous losses in this paper. A cooling model is developed in this method. The cooled blade is split into a number of heat transfer elements, and the heat transfer is studied element by element along both the span and the chord in detail. This paper applies the method in the design of a two-stage axial turbine, of which the first stator is cooled with convective cooling. With the prescribed blade temperature limitation and the knowledge of the flow variables of the mainstream at the turbine inlet, such as the total pressure, total temperature and mass flow rate, the convergence of the calculation is then obtained and the properties of the flow field, velocity triangles and coolant requirement are well predicted. The calculated results prove that the aero-thermal coupled through-flow method is a reliable tool for flow analysis and coolant requirement prediction in the design of cooled turbines.     

Flow separation control by using bowed blade in highly loaded turbine cascades

Due to the serious flow separations and centralized vortices,there are high secondary losses in highly loaded turbines.It is imperative to find measures to control the flow separation and vortices hence improve the turbine performance.This paper reports our recent progress on flow separation and vor-tices control in highly loaded turbine cascades by using bowed blades.Two sets of highly loaded tur-bine cascades with the turning angles of 113° and 160°,and each with 7 bowed blade angles 0°(straight),±10°,±20...