基于滑移网格方法的井下涡轮水动力性能

涡轮是钻井行业常用的一种机械结构,通常应用于井下涡轮发电机、涡轮钻具等。随着计算流体力学(CFD)理论与数值求解方法的不断拓展和革新,CFD方法已经成为井下涡轮性能研究的重要手段。目前针对井下涡轮的研究均是静态的。本文利用fluent软件,采用滑移网格方法,编写UDF文件对井下涡轮进行动态仿真,研究了外界负载、叶片数量、流量、叶片安装角对井下涡轮水动力性能的影响,并对井下涡轮的启动特性和运动过程进行了分析。结果表明：启动力矩小于负载时,涡轮静止不动;涡轮所受的启动力矩大于负载时,涡轮开始转动。涡轮转动过程中涡轮所受力矩不断减小,而转速、冲击力不断增加。转速稳定时,流体产生的力矩与负载平衡,冲击力稳定。     

潮流能自由变偏角水轮机自启动特性分析

垂直轴水轮机的启动特性是潮流能发电技术的关键问题之一.根据模型试验技术,测量潮流能自由变偏角水轮机转速和转矩在启动过程中的变化规律.基于黏性CFD数值模拟方法,监测该水轮机水动力转矩、负载转矩、叶片偏角、叶片切向力等参数在启动过程中的变化规律.通过分析上述运动参数与动力参数之间的相互作用探讨该水轮机启动特性.研究结果表明:自由变偏角水轮机由于能够迅速调整叶片偏角,因此可以改善水轮机启动过程的总体水动力性能;转矩-速比特性决定该水轮机启动过程经历起步、加速和渐进稳定3个阶段;当发生超载或者受到波浪影响时,水轮机将从渐进稳定段进入不能稳定运行的加速段,继而发生快速停机现象.     

负载力矩对旋转阀转速的影响分析及转速控制

旋转阀的转速控制关系到钻井液压力信号的产生。旋转阀负载力矩随旋转角的变化规律是影响转速控制的关键。根据旋转阀转子的受力情况分析了旋转阀负载力矩的组成及影响因素。通过理论分析结合计算流体力学(CFD)仿真分析建立了负载力矩的计算模型。研究表明,旋转阀负载力矩随旋转角呈严重的非线性变化,负载力矩与钻井液流量的平方有关,与钻井液密度呈线性关系,与钻井液黏度无关。负载力矩的非线性特性对旋转阀转速产生严重影响。基于负载力矩的计算模型,采用负载力矩的前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正,通过转速负反馈形成PID(比例-积分-微分)闭环实现旋转阀转速的快速随动控制。MATLAB/Simulink仿真结果表明,旋转阀转速闭环控制系统具有快速跟随调相脉冲变化的能力;同时对流量测量误差及负载力矩计算模型偏差产生的干扰影响具有较强的抑制作用,可以满足对32 Hz的压力载波进行相移键控(PSK)调制,实现16 bit/s的数据传输速率。     

负载力矩对旋转阀转速的影响分析及转速控制研究

旋转阀的转速控制关系到钻井液压力信号的产生。旋转阀负载力矩随旋转角的变化规律是影响转速控制的关键。根据旋转阀转子的受力情况分析了旋转阀负载力矩的组成及影响因素。通过理论分析结合计算流体力学(CFD)仿真分析建立了负载力矩的计算模型。研究表明,旋转阀负载力矩随旋转角呈严重的非线性变化,负载力矩与钻井液流量的平方有关,与钻井液密度呈线性关系,与钻井液黏度无关。负载力矩的非线性特性对旋转阀转速产生严重影响。基于负载力矩的计算模型,采用负载力矩的前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正,通过转速负反馈形成PID(比例-积分-微分)闭环实现旋转阀转速的快速随动控制。MATLAB/Simulink仿真结果表明,旋转阀转速闭环控制系统具有快速跟随调相脉冲变化的能力;同时对流量测量误差及负载力矩计算模型偏差产生的干扰影响具有较强的抑制作用,可以满足对32 Hz的压力载波进行相移键控(PSK)调制,实现16 bit/s的数据传输速率。     

固液混合过程的数值模拟及实验研究

基于计算流体动力学(CFD)方法,对搅拌槽中的固液混合过程进行数值模拟,研究不同转速下固液相的分布规律,并得到固体颗粒完全离底悬浮的临界转速。结果表明,对于平直叶涡轮式搅拌器,当安装高度为100 mm时,随着涡轮式搅拌器转速的逐渐增大,槽底的中心沉积区逐渐减小,固体颗粒在300 r/min的转速下达到完全离底悬浮;对于斜叶涡轮式搅拌器,固体颗粒在250 r/min的转速下达到完全离底悬浮。通过与实验结果比较,可以认为CFD方法能够较好地还原搅拌过程。此外,通过改变搅拌器叶片的角度以及搅拌器的安装位置,明确了斜叶涡轮式搅拌器更适合固液混合体系,并且在安装高度为直径的0.5～0.8倍时,能够在较低的临界转速下,使固体颗粒达到完全离底悬浮,明显降低搅拌功耗,具有良好的经济效益。     

竖轴水轮机瞬态启动性能分析

竖轴水轮机在瞬态启动过程中旋转角速度随时间不断变化,为了解决常规的定转速数值方法不能模拟上述过程的问题,利用开源软件OpenFOAM中SixDoFRigidBodyMotion模块的耦合算法实现了竖轴水轮机的瞬态启动过程.通过CFD(计算流体力学)方法着重分析水轮机转动惯量和阻尼值对启动过程的影响,发现两叶片竖轴水轮机的最佳启动位置角约为110°.通过对比须设置阻尼值的耦合模拟方法和定转速模拟方法,发现两者均可得出水轮机功率系数随转速变化的规律,而前者更接近水轮机的真实运转工况.     

高转速部分进气涡轮盘气流力及叶片振动响应研究

针对部分进气涡轮盘所受气流力在周向分布的严重不均匀易造成动叶片疲劳破坏的问题，从部分进气气流力特征和叶片振动响应两个方面进行了研究。根据已有数值模拟和实验结果给出了部分进气模式下考虑Kick效应的叶片所受气流力的分布曲线，采用快速傅里叶变换方法(FFT)分析了气流力的频谱特征，研究了转速和进气度等因素对气流力的频域特性的影响；采用有限元方法对某火箭发动机部分进气涡轮盘进行了瞬态振动响应分析，对比气流力的频谱特征，研究了叶片振动响应的特性。结果表明：在部分进气模式下，高转速涡轮盘叶片所受气流激励可以视为脉冲激励，存在多阶谐波分量；高转速或小进气度都会使得气流力的高阶谐波分量的幅值较大，使得涡轮盘叶片发生高倍频的共振或幅值较大的强迫振动，区别于全周进气的涡轮盘只需避开前6倍频气流力可能引起的共振，部分进气时还需考虑更高倍频气流力的影响。     

脉动流场中血管微型机器人的运行研究

研究一种应用于人体血管的新型螺旋式微型机器人.利用机器人机体内外表面不同旋向的螺旋槽和在液体环境中不同转向的高速旋转,实现机器人的悬浮式快速运行.在模拟人体主动脉的脉动流场环境下,运用计算流体力学(CFD)方法数值研究螺旋机器人在一定的运行速度下,机器人内外螺旋的轴向驱动力、轴向力矩以及机器人对血管壁的压力,并且分析机体的内外转速和机器人运行速度对机器人轴向驱动力和血管壁所受压力的影响.研究结果表明:血管壁所受最大压力和机器人内外螺旋轴向驱动力变化基本和血流速度变化趋势一致,机体外螺旋所受轴向力矩为负值,机体内螺旋所受轴向力矩为正值;随着机体内外转速的增加,血管壁所受最大压力和机器人的轴向驱动力都随之增大,机体外螺旋转速的增加更有利于机器人轴向驱动力的增大;随着机器人运行速度的增大,机器人轴向驱动力先增大,当运行速度达到一定值时,机器人轴向驱动力又随之减小.实验证明这种螺旋机器人可以在顺流和逆流的流体环境中运行.     

风力发电机叶片的转动特性分析研究

本文以流体力学为基础,利用Fluent对叶片周围的流体域数值计算,将风机转速、来流风速和转动力矩三个参数结合DOE方法进行响应面优化分析,为风机的转动特性分析、故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供相关数据.通过数值计算表明,风机转速与来流风速共同决定风机的转动力矩,进而影响风力发电机的功率.     

2种型式搅拌桨用于工业规模搅拌釜内假塑性流体混合过程的数值模拟

用CFD技术研究了最大叶片式桨和三层六直叶涡轮桨的在大高径比工业规模搅拌釜中流体力学行为,以黄原胶溶液为研究体系,重点考察了功率特性、死区分率、剪切性能和混合时间等流体动力学性能.结果表明:2种搅拌桨的功耗与转速成正比,死区与转速成反比;随着雷诺数增加,釜内平均剪切速率增加.工业规模搅拌釜中,最大叶片式桨搅拌流场呈双循环流型,三层六直叶涡轮桨在每个桨叶叶端分别形成上下2个小循环.在相同单位体积功耗下,最大叶片式桨的混合时间相对于三层六直叶涡轮桨较短.     

Bezier曲线设计涡轮叶片造型与CFD验证解析

通过选取某尺寸的涡轮和流量值作为案例,解析了运用Bezier曲线设计涡轮叶片造型的过程,进行了计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)验证,得到涡轮机械性能预测曲线,验证了涡轮叶片造型设计。     

实度与转动惯量对垂直轴风力机性能的耦合影响

当垂直轴风力机结构参数变化时,其实度和转动惯量均随之变化,进而耦合影响风力机性能。为此,以200W垂直轴风力机为研究对象,提出含转动惯量的CFD动态仿真模型,基于湍流模型实验确定使用RNGk-ε湍流模型,分别对不同叶片数、风机半径、叶片弦长的垂直轴风力机进行仿真,通过垂直轴风力机启动时间判断其启动性能,采用运行时的最大风能利用率判断效率。研究结果表明:小转动惯量有助于减少风力机启动时间,提高启动性能;少叶片数、大半径、大叶片弦长有助于提高风力机稳定时的最大风能利用率,而风能利用率与实度、转动惯量没有明显关系。     

基于离散元法的粉碎机冲击力测试

为分析前后立式粉碎机粉碎内腔所受冲击力的情况及其影响因素,对改进前后立式粉碎机、中黄39大豆进行实体测量,测定其物理特性与力学特性,建立其EDEM模型并进行模拟仿真,得知:改进前后粉碎机粉碎下盖内腔所受冲击力均大于各自上盖内腔,改进后粉碎机下盖内腔所受冲击力大于改进前,改进前后粉碎机上盖内腔所受冲击力大小无明显区别。以1.01～1.20 s改进前后粉碎机粉碎下盖内腔所受冲击力为评价指标,研究不同大豆数目以及不同粉碎刀具的转速对下盖内腔所受冲击力的影响。结果表明:随着大豆颗粒从100粒增至800粒,改进前后粉碎机下盖内腔所受冲击力增大值出现在大豆数目为600左右。随着粉碎刀具转速从6 200增至7 000 rpm改进前后粉碎机下盖内腔所受冲击力逐渐增大。且在相同转速以及相同大豆颗数的情况下,改进后粉碎机下盖内腔所受冲击力均大于改进前。改进前后粉碎机下盖内腔所受冲击力最大值出现大豆数目为600,刀具转速为7 000 rpm,其值分别为64.97与69.56 N,改进前后粉碎机下盖内腔所受冲击力最小值出现大豆数目为400,刀具转速为6 200 rpm,其值分别为39.35与41.27 N.试验与软件仿真结果所得结论一致,该结果为研究立式粉碎机的粉碎内腔冲击力提供理论参考与依据。     

仿人柔性关节耦合建模及变负载振动抑制

针对仿人柔性关节负载突变引起的关节振动问题，提出一种基于状态观测器的转矩补偿控制方法.通过控制电动机输出与扰动力矩等值的转矩增量，使关节力矩快速平衡变化后的负载力矩，缩短弹性元件被动适应负载变化的振荡过程.设计了估计负载扰动转矩和电动机转速的状态观测器，并利用Lyapunov函数证明其收敛性；建立基于比例积分-积分比例(PI-IP)转速调节器的驱动系统控制结构，并将观测器的输出前馈输入到转速调节器中，提高系统抗干扰能力.仿真结果表明，与比例积分微分(PID)控制和关节力反馈比例微分(PD)控制相比，所提方法能够在负载变化后的0.6 s内使电动机转速恢复稳定，并在1 s内实现关节振动抑制，关节转速调节时间分别缩短了约1.8 s和0.9 s,有效提升系统动态调节能力.最后，通过在一体化柔性关节测试平台上的实验，验证了所提方法的有效性.     

三极并联齿轮马达理论研究

研究一种由一个中心齿轮和三个空转齿轮构成的并联齿轮马达,阐述了结构原理,对功率密度、齿轮径向力及输出转速和转矩的脉动进行了分析;结果表明:该马达轴向尺寸小,功率密度高;中心(扭矩输出齿轮)所受径向力平衡,空转齿轮所受径向力显著减少,适当选取齿数,可使马达的输出转速和转矩的均匀性显著提高,并具有低速稳定性好,启动力矩大等特点。     

惯导轴承摩擦力矩特性试验

惯性导航系统轴承(简称惯导轴承)运行在温度及转速不断变化的复杂工况下,它的摩擦力矩特性关系到运载体的姿态稳定和相关仪表指示精度。本文在自行研制开发的试验台上,测试了某型号惯导轴承在不同转速、轴向载荷、环境温度及运转时间下的摩擦力矩。试验结果表明:转速对惯导轴承摩擦力矩的影响最大,轴承摩擦力矩随转速波动变化;惯导轴承摩擦力矩随轴向载荷的增加而增加,但并非线性关系,且在承受较小轴向载荷时轴承摩擦力矩随转速的波动变化趋势较平稳;环境温度对惯导轴承摩擦力矩有明显影响,在不同的dn值(轴承内径与转速的乘积)下轴承摩擦力矩随温度升高呈现不同的变化趋势;惯导轴承需要一定的跑合时间,轴承摩擦力矩在初始运行阶段有一个短暂的下降过程,之后达到稳定值。     

特种涡轮驱动混流泵瞬态空化特性

为了研究水泵液压系统瞬态特性,建立了水泵液压系统运动物速度和泵转速的瞬态数学模型,分析了涡轮泵启动瞬态过程中0.73,0.90和1.00s三个典型时刻运动物速度与加速度、泵流量及其空化特性.数值模拟结果表明:不同NPSH工况叶片表面空泡分布规律一致,在叶片弦跨度0.7~1.0区域,空泡体积分数向轮缘方向迅速增大,在轮缘区达到最大值;在运动物出舱工况下,当装置空化余量为14.23m时,轮缘圆周面上平均空穴面积达到33%左右,空泡堵塞了叶片流道,导致泵扬程下降了约61%,满足不了水泵液压系统运动物的加速度要求.模型泵试验结果表明:水泵液压系统涡轮泵启动后,泵转速近似线性加速,泵的必需空化余量值随之迅速增大,在运动物出舱时涡轮泵转速、流量和必需空化余量均达到最大值,为了避免涡轮泵叶轮空化诱导运动物出舱失败,应规定水泵液压系统最小潜水深度.     

航空发动机动力涡轮叶片断裂试验

为研究航空发动机动力涡轮叶片的断裂转速随弯曲应力占比的变化规律,基于等效原则设计加工了4种不同弯曲应力占比、共32件模拟叶片,采用有限元法分别计算得到模拟叶片的断裂转速。对模拟叶片进行分组并开展了断裂转速测量试验,获取了模拟叶片的实际断裂转速和断裂形式,采用高速摄像技术录取了模拟叶片断裂过程,得到了叶片断裂转速随弯曲应力占比的变化规律。研究表明,模拟叶片实际断裂转速与计算转速误差不大于1.10%;在一定范围内,随着弯曲应力的降低,叶片的断裂转速大体呈现下降趋势,并且随着叶片的弯曲应力占比越大,叶片的断裂转速下降越快。研究为动力涡轮叶片的强度设计和叶片断裂试验方法提供了参考,具有重要的工程应用价值。     

两种典型尾翼形状对无伞末敏弹气动特性的影响

为研究尾翼形状对双翼无伞末敏弹减速导旋性能的影响,分别对平板尾翼和S-C形尾翼结构末敏弹的气动特性进行研究。基于计算流体力学方法,获得了末敏弹气动外形的流场特性、表面压力分布和阻力系数、升力系数和转动力矩系数随攻角变化的规律。通过自由飞行试验对平板尾翼和S-C尾翼末敏弹进行了动态气动特性研究。数值计算结果显示,平板尾翼和S-C尾翼模型阻力系数在6～9间,其增阻效果明显;两模型升力系数均呈负线性变化,尾翼形状对升力系数影响较小;尾翼形状对转动力矩系数影响明显,平板尾翼几无转动力矩产生,S-C尾翼转动力矩相对较大并随攻角增加而减小。自由飞行试验表明,S-C尾翼结构自由飞行状态下增阻效果好于平板尾翼,并可使弹体获得转动力矩而维持稳定转速,能够实现稳态扫描运动。平板尾翼末敏弹自由飞行稳定性差。     

基于CFX双向固流耦合的涡轮发电机研究

实际钻井中,当钻井液排量为28～35 L/s,电机转子转速需要达到3 000 r/min,而涡轮的设计对于该性能起着至关重要的作用。为了研究不同涡轮叶片数量和涡轮出、入口角度与发电机性能的关系,采用有限元方法,通过AnsysWorkbench–CFX双向固流耦合的方式,对不同的涡轮结构分别进行建模、划分网格、计算分析,指出现有设计的缺陷,提出改型的意见。分析结果表明,入、出口角度73°涡轮在额定流量下转速偏高且气穴现象严重,需要减小该角度或叶片数量,并增加流筒的内径。