H型垂直轴风力机远场尾流特性研究

基于非定常CFD数值模拟方法,采用FLUENT软件对H型垂直轴风力机的流场进行模拟,并分析尖速比和叶片数对远场尾流特性的影响规律。结果表明:风轮在运转过程中的空气流动近似于圆柱绕流,绕流和旋转对尾流两侧风速具有增大作用,增大的风速不断汇入到尾流中,有助于尾流风速恢复;随着尖速比的增大或叶片数的增多,远场尾流形成卡门涡街,尾流风速呈周期性上下波动分布;在风电场中风力机组的排布应根据不同的尾流特性,采取不同的布置方案。     

异步反转式组合型垂直轴水轮机性能研究

为了解决升力型垂直轴水轮机因其较低的静力矩而无法应用于低流速海流环境的问题,提出一种内外转子异步反转的组合型水轮机。装置的外部是H型转子,内部采用Savonius型转子,2个转子在各自最优尖速比下运行,在提供运行效率的同时降低系统启动流速。利用CFD软件数值分析内部转子的转速、组合轮机的直径比对外部H型转子及组合轮机性能的影响规律。采用数值计算方法研究组合轮机在不同来流方向的静力矩系数。研究结果表明：当直径比小于0.4时,内部转子的尖速比几乎不影响外部H型转子的效率,但当内部转子尖速比大于0.5时,内部转子转换为耗功部件,组合轮机的效率降低;由于内外转子存在转速差,大直径比组合轮机的内外转子将产生较强的相位干涉,增加外部转子的扭矩波动,会降低组合轮机的寿命。因此,组合轮机的直径比应选择为0.2～0.4,内部S型转子尖速比为0.2～0.5。组合轮机在大部分流动方向下,静力矩系数显著提升。     

设计参数对直叶片垂直轴风力机功率系数的影响

基于多流管、双向多流管理论模型,利用MATLAB编程计算垂直轴风力机的功率系数并与实验值进行对比.研究表明:双向多流管理论模型更适合于垂直轴风力机的设计.以此为基础研究尖速比和实度对直叶片垂直轴风力机功率系数的影响,计算显示:尖速比增加,功率系数先增大后减小,近似成抛物线变化;实度增加,功率系数(效率)先增大后减小,最高效率位置向低尖速比区漂移,高效区范围变小.     

垂直轴风轮性能检测试验台

为了提高垂直轴风轮试验数据的测控精度及其自动化水平,针对垂直轴风轮性能检测研发了一套试验系统,系统由风轮支撑调整子系统、信号采集与分析子系统和加载子系统3部分构成。对每个子系统进行了分析、计算和设计。以Savonius型风轮样机为测试对象,在风速从5 m/s至25 m/s,负载电流从空载到0.18 A的条件下,用试验台对风速、转速和转矩等参数进行实时检测,得到功率与风速的关系以及不同负载条件下的效率最大值。检测结果表明:该试验台能够完整地测试风轮的性能参数,达到了预期设计性能。     

风电机组风洞测试的阻塞效应分析

风洞测试具有方便、快捷和高效的优势,在风电机组输出功率特性测试中应用较多。测试风轮直径较大时,由于存在风洞堵塞效应,会对测试结果造成影响。以300 W风电机组作为研究对象,分别采用风洞测试和车载测试进行输出功率特性测试。测试过程采用负载法,分别以电阻和蓄电池作为负载进行测试。在风洞截面为3m×3m的试验段中测试,机组空载启动风速为4.3m/s~4.8m/s,以电阻为负载时的额定风速为6.2 m/s;在车载测试中,机组空载启动风速为5.7m/s~6.2m/s,以电阻为负载时的额定风速为8.1 m/s。风洞测试比车载测试的启动风速低1.4 m/s,占车载测试启动风速的24.6 %,比车载测试额定风速低1.9 m/s,占车载测试额定风速的23.5 %。风轮直径2.3 m,其扫掠面积占风洞试验段截面面积的46.2 %,风洞的堵塞效应较大,致风洞测试数据与车载测试数据相差较大,因此风洞测试后需要修正。     

Φ型与H型Darrieus垂直轴风力透平性能比较

采用单盘多流管模型作为Darrieus垂直轴风力透平的空气动力学性能预测模型,在相同密实度和相同高宽比的条件下,计算得到了Φ型与H型Darrieus垂直轴风力透平功率系数-尖速比曲线和功率-尖速比曲线.分析了Φ型与H型Darrieus垂直轴风力透平尖速比对功率系数及功率的影响,得到不同尖速比范围下两风力透平功率系数与功率的变化规律.     

一种新型结构叶片对风力机气动性能的影响

针对风力机在旋转过程中产生的叶尖涡影响风力机本身以及下游风力机气动性能的问题,提出了一种控制叶尖涡的策略,以减小叶尖涡对风力机本身及下游风力机气动性能的影响.以PhaseⅥ叶片的1/8模型为原始模型,在叶尖处和轮毂处同时开洞,用管道将洞连接的模型称作新模型.采用数值模拟的方法对来流风速从6 m/s到20 m/s的15个工况下原始模型和新模型风力机进行了对比分析,结果表明:在低风速下原始模型和新模型气动性能几乎一样,即新模型对叶片气动性能影响很小,尾流扩散速度也相近;但随着来流风速的增大新模型对风力机气动性能的影响也随之增大,新模型风轮功率比原始模型风轮功率有明显提高,尾流在风轮旋转平面内扩散速度变快,在来流方向传播距离变短.新模型尾流可以减小对下游风力机的影响,提升了风电场风能的利用效率.     

小型水平轴风力机在不同桨距下发电性能的实验研究

本文对一小型水平轴风力发电机的发电性能和叶片流场进行了实验研究.基于三种桨距,测出在不同的来流风速和不同负载下的电流和发电功率,分析得到随着负载的增大电流强度减小,而功率随着风速的增大先增大后减小,存在着峰值功率;结果也表明桨距对叶片风能利用率影响较大.基于桨距A=60°、来流速度3m/s和负载5Ω,采用粒子图像测速仪(PIV)技术对垂直于桨叶旋转平面的截面进行了流场测量,结果显示桨尖涡在风力机叶片流场中起主导作用.     

导叶对涡轮型垂直轴风力机气动性能的影响

针对传统垂直轴风力机效率低的缺陷,阐述带导叶垂直轴风力机的结构优势,并分析导叶对涡轮型垂直轴风力机的作用。应用计算流体力学理论,在设计风速12 m／s下,采用滑移网格技术及 k-ε 模型对有、无导叶两种涡轮型垂直轴风力机的气动性能进行比较。研究表明,导叶可以有效降低由于来流对逆风区叶片吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,也会负面影响顺风区叶片的性能,但其负作用效果远不及在逆风区挡流降阻的正作用效果,故加导叶后风轮的性能会有很大提高。带弧线形导叶涡轮型垂直轴风力机最大风能利用系数可达0.24,具有工作范围广、最佳尖速比大的特点。     

具有流线型凸包的风力发电机气动特性

以300 W水平轴风力机叶片为研究对象,设计流线型凸包结构,并应用于风轮模型,结合滑移网格技术,对比研究光滑型与流线凸包型风力发电机的绕流场特性以及气动载荷特性,分析了三维绕流场内速度、压力、流线等的变化规律,以及不同风速下风力机的阻力系数及其功率的时程变化规律,探讨了流线凸包型与光滑型风轮在不同风速下运行时绕流特性的差异。结果表明:流线型凸包对流场有较好的改善结果;当风速增大时有明显的减阻效果,最大减阻率为19.53%,但其波动量增加为1.51%;凸包型风轮输出功率明显高于光滑型风轮,但随着风速增加,功率增加率也逐渐减弱。研究结果对水平轴风力机非定常气动特性研究及应用具有重要意义和价值。     

串列风力机三维尾流场的实验研究

为了提高风电场效率,减小上游风力机尾流对下游风力机的影响,风电场中风力机的布置形式尤为重要.利用轴流式风机提供来流风速,使用三维超声波风速仪获得两台100 W水平轴风力机在不同串列间距时的尾流场速度分布及尾迹流动扩散规律.结果表明:在同一测量断面上随着径向距离的增大,轴向速度先增大后减小;随着串列间距的增大,相同测量断面上轴向速度逐渐增大,径向速度的波动幅值和频率减小,切向速度波动幅值减小.当径向距离为2倍风轮半径时,尾流流场中切向速度的波动幅值相差不大;串列间距不变时,随着轴向距离的增大,轴向速度逐渐增大,且速度变化幅度逐渐趋于平缓,速度峰值也由风轮中心沿径向向外推移,径向速度和切向速度的波动幅值减小.上游风力机的存在使得尾流流场中径向速度和切向速度的波动幅值增大,同时使得下游风力机输出功率减小.风电场规划中应尽量避免风力机串列布置.     

水平轴风力机尾流场的特性分析

以100 W水平轴风力机为研究对象,当来流风速为12.5m/s时,建立数值计算模型和实验模型,通过模拟计算与实验测量,得到风轮旋转平面后不同间距断面处的速度和压强分布情况.将模拟值与实验值进行对比研究,结果表明:风轮下游3倍风轮直径处的实验值与模拟值拟合较好,随着风轮后轴向距离的增大,实验值与模拟值存在一定的差异.从速度云图可以看出,水平轴风力机的尾流场从风轮旋转平面产生,在叶片尾缘处脱落且逐渐膨胀,在来流风速的影响下逐渐向下游扩散,且轴向速度亏损值随着轴向距离的增大而逐渐减小,尾迹区域渐渐收缩,最终与大气来流逐渐融合.     

Darrieus风力机的动态气动性能实验方法

提出了一种可准确测量风力机动态驱动力矩的实验方法.该方法通过对风轮转速施加开环伺服控制,能够在不显著地引入力矩干扰的前提下,保证风力机运行在任意尖速比范围.通过设计合理的求导算法求取准确的加速度数据,以计算惯性力矩并实现动态空气动力矩的准确测量.针对该方法存在的尖速比波动问题,进行了误差分析,确立了数据处理中合理的尖速比取值方式,以降低尖速比波动对实验结果的影响.进行了定桨下的叶片气动驱动力测量实验,测得了驱动力随转速和偏桨的变化曲线,其变化趋势与现有理论结果和仿真分析结果大体一致,从整体趋势的角度验证了本文方法的可行性.     

青藏线棚车在强横风下的倾覆稳定性

采用缩比棚车模型风洞实验的方法研究棚车在5 m高路堤和15 m高桥梁上的气动性能,得到气动力系数与侧滑角之间的关系,在此基础上,根据静力矩平衡原理建立棚车整车在轨道上倾覆及车体在转向架上倾覆的数学模型,得到车辆在直线和曲线上运行时车辆运行车速和临界倾覆风速关系.研究结果表明:路堤或桥梁上棚车的气动力系数均随着侧滑角的增大而增大,在桥梁上侧滑角为75°时达到最大值,之后稍微降低;车体在转向架上倾覆时的临界风速小于车辆整车在轨道上倾覆的临界风速,车辆的安全速度限值应当以车体在转向架上倾覆为基础进行研究;车辆在曲线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为37.0和39.5 m/s,当车速为100km/h时,其临界倾覆风接近30 m/s;若车辆在直线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为45.0和49.0 m/s,当车速为120 km/h时,在路堤或桥梁上棚车的临界倾覆风速接近33 m/s.     

迷宫密封泄漏特性影响因素的研究

采用标准k-ε紊流模型和三维RANS方程求解方法,数值研究了密封间隙、压比、转速对典型迷宫密封泄漏特性的影响规律.计算分析了典型迷宫密封在3种密封间隙、4种压比和4种转速下的泄漏特性.研究结果表明:用相对流量系数(转动时的流量系数与静止时的流量系数的比值)与速比(周向速度与轴向通流速度的比值)的函数关系表征泄漏量随转速变化的规律时,存在一个临界速比约等于1.0;低于这个临界速比时,转速对泄漏量的影响不明显;高于这个临界速比时,泄漏量随转速的增大而减小,在很高的转速下(6 000 r/min以上),泄漏量至少减小了5.1%;相同间隙下,泄漏系数随着压比的提高而近似线性增加;相同转速下,随着密封间隙的减小,相对泄漏量逐渐降低.     

变风速条件下风力发电机输入载荷及其影响因素分析

建立了基于自回归(AR)方法的风场风速模型,求解得到了风速的变化时程;用Glauert方法求得了变风速下风力发电机的输入载荷——推力和扭矩随风速的变化时程;通过对载荷的统计分析得到了风力发电机的设计载荷谱和载荷雨流计数直方图;分析了变风速下风轮叶片主要参数对风力发电机输入载荷的影响规律:推力和扭矩载荷的均值随桨距角变化的响应明显,并随桨距角的增大而变小;推力的波动幅值随桨距角的增大先是增大然后减小,而扭矩的波动幅值则随桨距角的增大而单调减小;推力随叶片扭转角和攻角的变化响应明显而扭矩随扭转角和攻角变化的响应不明显。     

基于对飞行员工效影响的旋翼螺旋桨流动及噪声分析

倾转旋翼飞机的主要噪音来源于螺旋桨,而噪声对飞行员工效具有非常大的影响。本文在分析噪音对飞行员工效影响的基础上,使用计算流体力学(CFD)方法对优化设计的旋翼螺旋桨流场进行了计算分析。通过数值计算得到了旋翼螺旋桨的拉力特性、功率特性等气动性能参数。螺旋桨的拉力系数CT、功率系数CP都随着进速比J的增大而减小,螺旋桨的推进效率随着进速比的增大,先增大后减小,在设计点附近,螺旋桨推进效率达到0.87以上。采用Lowson方法对螺旋桨的辐射噪声进行了初步分析,随着螺旋桨转速的提高,各方位总声压级指向性一致,并有所提高。     

矩形截面铜包铝导电排的导电性能及断面形状结构的影响

建立了矩形截面包覆材料交流功率损耗的数值计算模型,分析了铜包铝导电扁排断面形状结构对交流功率损耗的影响. 结果表明:当断面积为S=600 mm2时,功率损耗系数随扁排宽厚比b/a的增大而增加;断面积为S=800 mm2和1 000 mm2时,随宽厚比b/a的增加,功率损耗系数先增大后减小;而当断面积为S=1 200 mm2时,随宽厚比b/a的增大,功率损耗系数减小且减小趋势逐渐变缓. 当扁排厚度为a=10 mm,断面积S为800～1 200 mm2时,交流功率损耗随窄边和宽边的铜层厚度比(δh/δw=0.5～3.0)增加而减小;铜层厚度之比对功率损耗的影响随包覆层面积比(SA=15%～45%)的增加而增大. 在单位长度直流电阻和载流量与铜扁排相等时,选择合适的扁排断面形状结构,铜包铝扁排可较为明显地降低功率损耗.     

多层组合桨搅拌槽内通气功率和传质性能研究

在内径为300 mm的搅拌槽内,用六叶半椭圆管叶盘式涡轮桨(HEDT)、抛物线管叶盘式涡轮桨(PDT)和轴流式四叶宽叶翼型桨(WH)上提操作方式(U)和下压操作方式(D)组成的3种组合桨HEDT+2WHU,HEDT+2WHD和PDT+2WHD研究了不同操作条件下各组合桨的通气功率和传质性能。结果表明,各组合桨的相对功率需求(RPD)都随着转速和通气准数的增大而减小,HEDT+2WHU桨的RPD在实验操作条件下一直维持在0.75以上,大于另外两种组合桨;3种组合桨的容积传质系数kLa都随着功耗和表观气速uG的增大而增大,并且当气速较小时,增大气速可以大幅度增大kLa,但随着气量的增加,kLa的增大幅度有所减小;小气量下3种组合桨的kLa差别不大,但大气量下差别明显;PDT+2WHD在气速uG=0.0078~0.039 m/s时表现出最好的传质性能,PDT+2WHD、HEDT+2WHD在uG=0.039 m/s时的传质性能明显优于HEDT+2WHU。基于实验数据,回归得3种组合桨的功率准数和传质系数的关联式,可用于工业设计及应用。     

简捷型垂直轴风轮试验装置的研发

风能作为可再生能源已得到世界各国的极大重视。风洞试验是研究新型垂直轴风轮气动性能的重要手段,由于专用大型风洞设备占地面积大、费用高等原因,不利于进行新型垂直轴风轮性能的研究。对一种简捷型风洞试验装置进行了研发,确立了开口直流式风洞的总体气动结构,并对其动力段、扩散段、整流段及收缩段的性能进行了设计计算,搭建了风轮试验台。通过对垂直轴三戟风轮性能参数进行试验分析,分析结果表明:这种试验装置可以实现风速在0.5～15.0 m/s范围内的调速,且结构简单、制造方便、成本低,为风轮特性的初步研究提供了一个良好的试验平台。