采用附加导叶的轴流式风机气动噪声研究

在分析轴流式风机噪声源及其理论模型的基础上，应用叶轮机械叶片内部绕流控制的气动理论与边界层理论，提出了设置在工作轮叶尖和沿叶高上，中，下后缘处的附加导叶装置，以控制叶尖间隙噪声与沿叶高出口尾迹涡流噪声，采用油膜法进行了内部流场显示，对比试验研究表明，采用这种附加导叶的轴流式风机，其气动噪声有明显的降低，同时，改善了沿叶面的流速分布，提高了风机效率。     

南京高塔风洞模拟研究

籍流体力学风洞,取截段模型,对南京八卦洲气象观测高塔作风洞模拟实验,测定了模型塔周围和尾迹区的平均流场和脉动场。实验结果表明:在塔后部大约72°的扇形区范围,存在一个风速亏损区和湍流度分布无规区。当塔的伸臂长度L=1.0D时,此范围内风速亏损可达25％,并且风速亏损愈大,湍流度亦大。在其余288°方位,测量值与风洞来流值基本一致。在塔后尾迹区的塔柱后侧,风速亏损和湍流度均出现极大;它们还随着与塔柱的距离的增大而减小。     

水平轴风力机三维尾流场的实验研究

以100W水平轴风力机为研究对象,利用三维超声波风速仪在风轮下游进行尾迹流场的速度测量.采用超声波时差法,获得风轮下游的三维尾流场信息.实验结果表明:风轮下游尾迹区内的流动存在明显的三维特性.由于风轮旋转和来流衰减,使得风力机尾迹区轴向速度存在严重的亏损,且尾迹区轴向速度亏损随着风轮下游轴向距离的增大逐渐减弱.但由于风轮旋转时叶尖涡脱落,在距测量中心径向较远处出现高速度区域.径向速度和切向速度在3倍风轮直径截面处最大,随着轴向距离的增大逐渐减小,且径向速度和切向速度的波动频率随着径向距离的增大逐渐减小.尾流场的湍流强度在风轮旋转半径内高于半径外,随着轴向距离的增大,湍流度先增大后减小,在远尾流区与大气来流逐渐融合,且流动逐渐趋于稳定,在8倍风轮直径位置处适合布置下游风力机.     

低噪声罗茨鼓风机的结构设计与内流数值模拟研究

以罗茨鼓风机为研究对象,通过气流脉动与噪声分析、低噪声结构设计及内部流场数值模拟分析,提出减少风机排气口回流冲击强度、消减气流脉动及紊流是控制气动噪声的主要途径。总结了转子叶轮型线改进、转子串接、转子扭叶、异型排气口、预进气或逆流冷却等低噪声结构设计原则。最后,运用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT对风机内流进行数值模拟,证明三叶转子比二叶转子回流冲击强度小,逆流冷却能够大幅度降低气流脉动压力,为低噪声结构优化设计提供了理论基础。     

风力机尾流场及相互作用的实验研究

运用压差式精密风速仪对风力机尾流场及相互作用进行测量研究。对于单台风力机,测量其后不同距离处的尾流场轴向速度;对于两台风力机,测量下游风力机(第二台风力机)后不同距离处的尾流场轴向速度,由于下游风力机置于上游风力机(第一台风力机)尾流场中,尾流在向下扩展的过程中相互叠加影响,使得下游风力机尾流场变化更复杂。试验结果表明:由于风轮旋转和来流衰减,使得单台风力机后尾迹区存在速度亏损,尾迹区速度亏损随着风轮下游轴向距离的增加逐渐减弱,且轴向速度和轴向诱导速度在水平方向上表现出较强的对称性。由于风轮旋转时叶尖涡脱落,在距测量中心较远处出现高速度区域。当下游风力机置于上游风力机尾流场时,下游风力机的尾迹区内速度亏损更严重,由于上游风力机尾流的不稳定延伸,尾流叠加,轴向速度和轴向诱导速度出现明显的波动现象,且随着两风力机距离及下游风力机后轴向距离的增加,上游风力机对下游风力机的影响逐渐减弱。     

轴流风机仿生耦合叶片降噪机理研究

为降低传统叶型轴流风机的气动噪声,受鸮类翅膀翼型和非光滑边缘结构的启发,以原型轴流风机的中弧线分布为基准,提取具有静音飞行特性的长耳鸮40%翼展截面处的厚度分布,结合长耳鸮翅膀边缘的非光滑结构特征,在仿鸮翼叶片尾缘耦合了正弦型锯齿结构对轴流风机叶片进行仿生重构,并将其应用于降低轴流风机噪声叶片改型设计中。基于轴流风机内部流场的数值计算结果,采用大涡模拟(LES)结合Ffowcs Williams和Hawkings发展的FW-H声类比方法对轴流风机的声场特性进行了数值模拟。研究结果表明:与原型风机相比,仿生耦合叶片风机的整体降噪幅度为2dB,风量提升4.69%。风机内部流场及声场显示:仿生耦合叶片使气流从吸力面向压力面的过渡更为平缓,不仅改善了气流对叶片前缘局部的冲击性,且能减弱叶顶间隙处的泄漏涡强度。此外,仿生耦合叶片产生的紊流边界层及尾迹涡脱落引起的气流脉动和气流不均匀性程度减弱,宽频噪声和离散噪声在中低频范围内均有所降低,因此仿生耦合叶片不仅改善了叶片前缘的局部压力脉动,且能够减小尾缘锯齿处的声源强度,改善叶片尾缘的尾迹涡分布。     

采用仿鲤科鱼C型启动构型叶片的多翼离心风机气动性能研究

受鲤科鱼类C型启动逃逸反应时高效率游动姿态及其周围涡流特征的启发,进行叶片仿生设计,以提升多翼离心风机的气动性能。首先,采用逆向工程方法获取了鲤科鱼C型启动姿态时鱼体中心线方程和水平剖面轮廓线方程,以C型启动时鱼体中弧线为基准,设计了仿生等厚叶片。其次,通过多翼离心风机气动性能数值计算和实验测试,得到了具有最佳进口安装角的仿生等厚叶片(O-BETB),采用O-BETB的多翼离心风机的风量增加了6.8%,噪声下降了0.5 dB(A)。最后,将仿生重构的鱼体流线型轮廓与O-BETB相耦合,得到仿生耦合叶片(CBB),以进一步提高多翼离心风机气动性能。结果表明：当采用CBB时,多翼离心风机的风量增大了8.3%,噪声下降了1.1 dB(A)。基于流场分析,发现具有仿生中弧线和鱼体轮廓特征的耦合叶片在前缘进口角及叶片型线具有更好的引流导向作用,叶间流道的低速分离旋涡明显小于另外两种叶轮;叶片尾缘的尾迹涡脱落引起气流不均匀性程度也最弱,有效缓解了尾流与蜗舌、蜗壳之间的非定常相互作用。通过多翼离心风机声场特性的分析,发现多翼离心风机的气动噪声主要集中在中低频段。CBB的采用,叶轮通道内分离涡被抑制,...     

尾流激振情况下叶片振动应力预估方法

针对叶片强迫响应问题,提出采用谐响应分析方法,将计算得到的叶片S1流面压力场引入动力学分析中.由进口导叶尾迹速度亏损计算出激振因子,把S1流面压力场转化为谐响应分析中的载荷压力场,初步建立S1流面压力场与叶片动应力的数值关系,以及在进口导叶尾流激振情况下叶片振动应力的预估方法.利用模态叠加法,研究进口导流叶片尾流亏损产生的不均匀来流对第一级转子叶片振动的影响.     

类后视镜钝体尾迹分析

后视镜是汽车前侧窗区域重要的气动噪声源,认识后视镜尾迹特征对研究后视镜气动噪声的产生机理有重要意义.搭建类后视镜钝体尾迹风洞试验平台,通过表面油流、热线风速仪和粒子成像测速仪(Particle Image Velocimetry,PIV)测量了类后视镜钝体的时均和瞬时尾迹.通过本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)识别后视镜尾迹中的大尺度相干结构.试验结果表明:受有限长度特征影响,后视镜尾迹与有限长柱体的尾迹特征类似,尾迹中存在交替涡脱落,尾迹涡脱落特征频率小于0.2.受端部下洗气流的影响,尾迹涡脱落特征频率在流向和展向分布不均.POD分析结果验证了交替涡脱落的存在,交替的涡脱落导致了尾迹回流区的流向和展向振荡现象.因此,后视镜尾迹与有限长柱体的尾迹类似,尾迹涡脱落主要受有限长特征的影响.     

钝体尾迹流流动与燃烧特性研究

将正三角形钝体后尾迹流近似地分为回流区、射流主流区、尾流恢复区、充分发展区；用半理论半经验的分析方法对尾迹流动力方程进行了求解；讨论了尾迹流中高温烟气回流、煤粉浓度局部富集及低速高湍流度等流动特性对煤粉提前着火及火焰稳定等燃烧特性的影响。     

翼型阻力计算方法的数值模拟研究

翼型阻力是评定翼型气动特性的重要气动参数之一,翼型测压实验时主要用动量法测量阻力,也就是根据尾迹区某截面的动量损失来计算翼型阻力。本文首先用数值模拟方法获得翼型流场全部信息,然后分别用翼面压力、粘性力积分和尾迹动量损失积分两种方法获得阻力,并对它们的结果进行比较分析,以确定在使用尾迹积分法计算阻力系数时的最佳积分截面和尾迹排架的最佳安装位置。     

湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响

基于一台33 kW的水平轴风力机,利用大涡模拟耦合致动线的方法,模拟均匀来流以及不同湍流度来流条件下的风力机尾流流场,研究湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响.结果表明:湍流来流时风力机尾流与周围流场的能量交换比均匀来流时更强,湍流掺混速度更快,从而使得尾流区速度恢复加快,且湍流度越大,速度恢复越快;相较于均匀来流...     

基于尾流试验的风电场装机容量估算方法

结合对我国风电场装机容量的现状分析,指出风电场装机容量的确定受政策及主观因素影响较大,缺乏有效的技术手段支持。提出了一种装机容量估算的思路,即:以控制风电场平均尾流损失为目标,由风能资源决定风机排布,继而由风机排布来估算装机容量。为此,基于风机风能利用效率相近的特点,通过引入参考风机并进行尾流试验,给出了在不同风速下风电场风机的推荐排布方式,根据风机额定功率与直径平方的关系,得出了一定技术安装高度上单位面积区域内装机容量的估算方法。结合我国风能资源评估国家标准,给出了对应不同风功率密度等级的场址区域,其50 m高度上单位面积可装机容量的推荐值。提出的估算方法可为风电场建设前期进行装机规模的确定提供参考。     

车尾水平收缩气动减阻的规律及机理

以MIRA两厢车为对象,采用风洞实验和数值仿真方法,对气动阻力受车尾水平收缩的影响规律进行研究,表明车尾水平收缩提高尾部表面压力水平,有效降低气动阻力;基于可靠性被验证的数值仿真结果,对尾流结构变化规律进行研究,表明车尾水平收缩为尾部死水区提供额外动能,抑制拖曳涡对的形成和发展,减小尾迹区流动能量损失,降低气动阻力.     

开缝钝体尾流水模显示实验研究

采用水模拟氢气泡流动显示的方法对开缝钝体近尾流结构进行了实验研究．结果表明，二维对称结构中产生的中缝偏斜射流对钝体两边脱体剪切层的相互干涉起到抑止作用，从而加长了回流区，降低了压力损失．该实验不仅证实了开缝钝体燃烧器优良的尾流特性，也为认识这种特性提供了直观依据     

高海拔单台大型风力机外场实验

为了提高高海拔地区大型风力机的性能,以3.3 MW水平轴风力机为研究对象,通过外场实验的方法,利用机舱式激光雷达测量风力机的入流,同时,利用地面风廓线雷达测量风力机的尾流.首先将一天中激光雷达测得的入流风速和风向与机舱上的风速风向计数据对比,并提取一段时间内机舱雷达测得的入流风速进行分析;其次,把尾流风向与入流风向、尾...     

周期性尾迹对涡轮端区二次流强度影响

为进一步认识上游周期性尾迹对涡轮端区流动的影响,分析尾迹与端区二次流结构之间的相互作用,基于高负荷低压涡轮叶型Packb对非定常工况下尾迹与端区流动进行了数值模拟研究,并借助扇形叶栅实验台进行辅助校核。数值研究采用商业CFD软件进行仿真,借助LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型,对尾迹造成的端区流动影响进行了分析。研究表明,尾迹的存在使得叶栅出口处的端区二次流强度出现周期性的变化,其增强与削弱作用的交替出现是尾迹在通道中所处位置不同所造成的,利尾迹周期性地对二次流强度的削弱作用可有效减小端区流动损失。     

融合式翼梢小翼对飞机尾涡演化的影响

随着空中交通流量的增长,尾流间隔精细化、动态化缩减成为了民航发展的一种趋势,研究尾流演化过程也成为了民航领域关注的前沿科学问题。基于此,本文采用雷诺平均 N-S方程方法研究了B737-800飞机有无融合式翼梢小翼对飞机尾涡的演化过程影响。利用NASA动态尾流系统中APA尾涡消散模型计算了不同气象环境参数下有无小翼的尾涡环量变化。结果表明：融合式翼梢小翼可以分割翼尖涡,有效改变翼尖气流的流动特性,增大速度梯度,减小尾涡速度、尾涡能量集中程度和尾涡强度;不同大气湍流耗散率和大气层结稳定度下,小翼对尾涡强度的减小量不同。     

近壁圆柱绕流积沙线的形成机理研究

应用粒子图像测速(PIV)系统进行近壁圆柱绕流实验,探讨壁面积沙现象的机理.分别在两个动量损失厚度雷诺数1 092和796下,对两个不同直径的圆柱,取间隙比(圆柱与壁面间的距离与圆柱直径之比)0到1.5中的12个值进行实验,总结了不同情况下积沙线的形成特点.研究结果表明:积沙线形成的可能原因是由于圆柱对平板壁面边界层的影响,使得边界层流动在圆柱下游一到两倍圆柱直径的平板壁面处发生壁面分离,在分离区域流体速度减小,并且产生附着涡,流体运动挟带到此处的粒子速度减小,发生沉积而形成.     

多机型组合下的尾流遭遇仿真研究

为更好的研究尾流的演化和遭遇,将数值模拟与后机响应相结合,进行不同机型组合下的尾流危险区研究。采用H-B(Hallock-Burnhan)模型模拟仿真尾涡流场,进行尾涡演化,提取全流场的时空信息。选取我国数量较多使用频繁的机型进行尾流遭遇分析,将滚转力矩系数作为尾涡遭遇安全评价指标,求解不同前后机的尾流间隔,并进行危险区的可视化。结果显示：不同机型组合下呈现出的尾流间隔相比于RECAT-CN(Re-categorization)尾流间隔都有一定的缩减空间。同前机不同后机的机型组合下,由于后机气动力特性的不同,危险区的差异主要表现为纵向范围大小;不同前机同后机的机型组合下,危险区的宽度和长度的变化都存在一定的差异。使用数值模拟进行前机尾流演化能更好的探究尾涡危险区的变化趋势,更精确的计算尾流间隔。