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.     

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.     

竖轴变攻角潮流发电水轮机性能预报流管模型研究

为寻求一种快速可靠地预报竖轴变攻角直叶片潮流/河流水轮机性能的方法,给出了计算变攻角直叶水轮机水动力性能的单盘面—单流管(SDST)、双盘面—单流管(DDST)、单盘面—多流管(SDMT)和双盘面—多流管(DDMT)模型公式以及叶片转动效应的修正方法.计算和试验比较表明:低速比情况下,这4种修正的流管模型均可有效预报变攻角水轮机的能量系数;在水轮机正常工作的较高速比情况下,单盘面模型误差大,而双盘面模型与试验吻合良好,DDMT模型具有预报水轮机性能和叶片受力的优势,适合于快速进行变攻角水轮机的水动力优化设计和结构分析.     

串列竖轴水轮机尾流场影响CFD模拟分析

为研究串列水轮机组水动力性能并提出合理的水轮机布置方案,提高潮流能电站的发电效率,针对三叶片竖轴水轮机进行瞬态数值模拟,分析了串列布置水轮机组上游水轮机的水动力性能及尾流场对下游水轮机水动力性能的影响.考虑到竖轴水轮机叶片展向剖面相同的特点,将模型简化为二维模型并利用开源流体力学软件Open FOAM对水轮机进行了数值分析.首先通过模拟单个水轮机的运行,得出了能量利用率随叶尖速比的变化规律,并通过与文献中实验数据的对比验证了Open FOAM数值模型在合理的设置下,采用k-ωSST湍流模型和PIMPLE算法,可以准确计算二维竖轴水轮机的水动力性能.之后模拟了两个串列放置的水轮机,水轮机之间的距离范围取5~50倍水轮机直径,分析得出了竖轴水轮机后方各剖面的尾流特性,以及水轮机间距对下游水轮机水动力性能的影响特性.分析结果表明,两个串列水轮机的间距大于40倍水轮机直径时,上游水轮机尾流场对下游水轮机性能的影响可以忽略.     

Savonius式水轮机水动力学性能

为了研究S式水轮机水动力学性能,利用流体动力学软件建立S式水轮机的网格模型,分析流场特性,对S式水轮机在不同叶尖速比与重叠比的水动力学及能量提取性能进行研究.结果表明：S式水轮机在运动过程中存在负力矩情况,这是造成功率系数较低的主要原因.S式水轮机适合在低叶尖速比下工作,且力矩系数随着叶尖速比的增大而减小,存在一个最优叶尖速比使水轮机的功率系数达到最大,重叠比能减少甚至消除负力矩情况,改善水轮机的水动力学性能.在研究参数范围内,重叠比在0.15附近时,S式水轮机综合性能最优,功率系数可以达到最大值0.256.     

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.     

潮流能水平轴叶轮纵摇运动水动力分析

漂浮式潮流能装置载体的波浪运动响应使水平轴叶轮的水动力特性发生变化。采用滑移网格及动网格技术对无界均匀来流中旋转叶轮强迫纵摇时的三维水动力特性进行分析,研究不同纵摇频率、纵摇幅值、速比等参数对叶轮水动力的影响规律,以及根据叶轮纵摇运动时的水动力时历曲线,拟合得到叶轮的纵摇阻尼系数。研究表明:叶轮轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,波动幅值随纵摇频率、纵摇幅值及速比的增大而增大;叶片表面压力分布时刻发生变化,纵摇频率、纵摇幅值及速比越大,变化越明显;纵摇阻尼系数与纵荡频率、振幅无关,而与叶轮旋转速度相关,旋转速度越大,阻尼系数越大。     

剪切流下潮流能水平轴水轮机的水动力分析

为研究剪切流下潮流能水平轴水轮机的水动力问题，本文采用叶素动量理论与动态入流模型相结合的方法，考虑相对入流速度的时域变化，计算了不同剪切率下水轮机的各水动力系数，探究了剪切率对潮流能水平轴水轮机的水动力载荷特性的影响规律。经验证，数值模型与CFD模拟结果吻合良好。结果表明：一定范围内，同一速比下，剪切率对时均轴向力系数的影响不明显，对时均功率系数的影响大约以最优速比为分界，高速比时剪切率越大，功率系数越大，低速比时关系不明显；水动力系数的波动周期与叶轮旋转周期存在倍数关系；水动力系数的幅值与剪切率呈近似线性关系。本文可为剪切流下潮流能水平轴水轮机的载荷分析、设计优化提供有效的预报。     

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.     

一种风力机风轮设计和优化方法研究

为保证风力机具有最大的风能利用系数,本文主要对水平轴风力机风轮的设计和优化方法进行了研究.通过对叶片翼型的弦长和扭角的优化计算,可以得出叶片的几何参数,包括叶片数、叶片各断面的翼型选择以及叶片根部的安装位置等.根据提出的优化设计方法编制了相关软件,给出的算例说明了采用不同单一翼型设计的风轮在相应设计叶尖速比下的风能利用系数和轴向力系数的变化规律.     

采用粒子群算法的水平轴潮流能水轮机翼型多目标优化

为了提高水平轴潮流能水轮机叶片翼型空化性能,提出一种基于粒子群算法（PSO）的翼型性能多目标优化方法,主要针对较大攻角下翼型表面压力系数最小值;同时为保证翼型水动力性能,以翼型压力系数最小值及升力系数等建立多目标优化函数.通过程序调用XFoil对优化翼型水动力性能进行过程分析,替代计算流体动力学（CFD）分析,节省优化时间.采用此方法对NACA63-815翼型进行优化并采用CFD方法重点研究2个攻角工况下优化翼型与原翼型在3个空化数（1.0、1.5和2.0）下的空泡分布对比.结果表明,优化翼型在6.8°和10.8°攻角下压力系数最小值分别提升了17.0%和45.8%,最大升阻比提高了6.0%和61.1%.翼型的空化初生及全空化性能均得到明显提升,水动力性能也得到了提升,验证了此优化方法的可行性.     

基于CFD的大型风力发电机组叶片气动性能研究

为了研究大型风力发电机组叶片的气动性能,提出了基于CFD技术的叶片气动性能分析方法.该方法采用RANS方程结合SST湍流模型,以实现对大型风机叶片二维翼型气动性能和三维气动性能的分析预报.在此基础上,采用二维方法分析了NACA64-618翼型-180°～180°攻角下的气动性能,获得了其失速攻角,与试验数据的比较证明了该方法的准确性;建立了2MW大型风机三维叶轮模型,采用三维方法分析了其气动性能,与GHBladed软件计算结果比较证明了三维方法的可行性.最后,对2MW风机翼型进行了优化,改善了其气动性能.研究方法对于大型风机叶片的设计,优化及新翼型的开发具有重要参考价值.     

蹼板式水流发电装置实验研究

阐述了一种全新水流发电装置--蹼板式水轮机的首次实验研究的全过程.介绍了该类型水轮机的试验模型和试验装置的设计加工,分析整理出了我国第一份蹼板式水轮机的水动力性能资料,探讨了密实度、进速系数、叶数、雷诺数等主要参数对能量利用率系数的影响并分析了原因.该项研究结果表明,该型水轮机具备机构简单、造价低廉、能量利用效率高、易操纵性以及自启性良好等诸多优点,从而使它具有广泛的市场开发前景.     

风力机攻角与锥角优化及其相关性探讨

针对传统叶素动量理论无法用于优化锥角β的问题,提出了β-BEM修正模型.该修正模型可以成功计算带锥角风力机气动特性,并应用BEM及β-BEM模型对NACA0012翼型的1. 5 MW风力机攻角α及锥角β进行独立优化及统一优化.仿真结果表明:对α、β进行独立优化,风能利用系数值理论上比优化前提升9. 3%;对α、β进行统一优化,该值理论上提升9. 4%;α、β具有弱相关性,理论上宜采用统一优化方案,但从工程方便角度考虑,亦可采用独立优化方案.     

风机叶片设计二次开发与气动性能仿真

为了提高叶片设计的精度和效率,根据风机叶片设计的相关理论和方法,对叶片气动外形设计进行研究.以20 kW风机叶片为例,在Wilson法的基础上,利用VB、VC++等编程语言在SolidWorks平台上开发叶片气动外形设计及建模的应用系统.根据输入的设计参数自动生成叶片的三维实体模型,省去了以往设计过程中生成的大量数据的转换和存储,实现叶片的高效,智能化设计.为了对设计结果进行评估,同时验证设计的有效性,针对设计好的叶片模型进行流场仿真分析.结果表明,提出的叶片设计与建模方法能够有效提高风能利用率,缩短风机叶片设计周期,可用于企业对叶片的设计研发,并为叶片结构有限元分析和优化设计平台奠定基础.     

极端运行阵风下后掠型风力机叶片的气动特性研究

基于多体系统动力学和升力线气动模型,考虑柔性后掠叶片动态失速和气动弹性耦合问题,建立了风力机气弹耦合模型,研究极端运行阵风及阵风作用时间对某5 MW后掠风力机叶片气动性能的影响。结果表明：极端运行阵风对叶根挥舞力矩、功率、攻角、升力系数和轴向推力等气动特性具有较大影响。研究工作对风力机的结构优化设计和疲劳寿命设计具有重要作用。     

一种新型的垂直轴风力机聚风装置

为了提高垂直轴风力机的功率系数,设计一种能将任意方向的自然水平风转变成沿环形顺时针流动的风的环形聚风装置。分析了该装置将自然风转变为环形流时风的流场。计算有效进风面积,推导了半圆柱形叶片风轮和对称翼型的功率系数公式。研究表明,在不计装置对风的加速作用和忽略轮毂半径的情况下,半圆柱形叶片风轮功率系数最大值35.6%;在给定条件下对称翼型NACA0012的功率系数最高为41.5%;装置用于H型风力机,使得风力机具有确定的攻角及良好的启动性能。     

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。     

风电机组气动载荷控制策略

针对风电机组在风切效应影响下,较大尺寸的桨叶会加剧风轮所承受的不平衡气动载荷问题,提出了基于改进离散模糊控制的同步变桨距和基于桨叶方位角权系数分配的独立变桨距联合控制策略.通过主动变桨距控制来实现风电机组输出功率的稳定,同时降低风轮所承受的轴向气动载荷.仿真结果表明,此联合控制策略在风电机组的额定工作区间,不仅可以使风电机组的输出功率稳定在额定功率附近,而且还可以有效地抑制其轴向气动载荷,也直接证明了所提出的控制策略的有效性.