水平轴风力机转轮气动性能的数值解法

以有限叶片数的旋涡气动模型为依据，用有限差分法求解描述该模型的积分微分方程，可建立一种确定水平轴风力机转轮气动性能的计算方法．该方法不只用于转轮气动正问题的求解，同时还可作为转轮气动优化设计的依据．本文先着重介绍了Ｈ．Ｅ．茹可夫斯基所提出的转轮旋涡气动模型和他所推导的求解诱导速度的表达式以及求环量分布的积分微分方程．之后，作者将积分方程已有的解法进行了改进，从而得到该方程的数值解，并提出两种求解转轮气动性能的数值解法．最后给出了转轮气动性能的几种算法的比较．     

高风速下腐蚀翼型的气动特性研究

外场工作风力机叶片会受到环境腐蚀,导致风力发电机气动性能下降,发电效率降低.为研究腐蚀翼型的气动性能变化,建立9种腐蚀模型,计算4种风速(30m/s、35m/s、40m/s、45m/s)下腐蚀翼型的气动性能,分析翼型形状与腐蚀位置的变化对翼型气动性能的影响.数值模拟结果表明来流风速与翼型的升阻力成线性关系;S803翼型...     

仿生气动肌纤维静态特性建模与实验研究

开展气动肌纤维静态特性建模与实验研究,综合考虑气动肌纤维端部变形、摩擦力、死区气压等对其静态特性的影响,提出一种气动肌纤维静态特性数学模型.搭建气动肌纤维静态特性实验平台,开展气动肌纤维及气动肌纤维束静态特性等长实验、等张实验及等压实验,对比分析不同规格参数的气动肌纤维及气动肌纤维束的静态特性.基于实验所得的等压特性曲线,提出一种气动肌纤维束实验模型,由大量实验数据辨识获得符合实际情况的气动肌纤维及气动肌纤维束的静态特性数学模型,为气动肌纤维驱动微型仿生机器人的精准控制奠定基础.     

自然风速下低雷诺数风力机翼型 气动特性随机数值分析

为量化随机自然风速条件下风力机翼型气动特性不确定程度,以S809风力机翼型为研究对象,基于非嵌入式概率配置点法和Transition SST转捩方程,建立了低雷诺数风力机翼型气动特性随机数值分析模型,获得了自然风速条件下风力机翼型气动力确定性和不确定性成分比例,并揭示了风速大小和方向随机耦合作用对翼型流场结构、压力系数和摩阻分布及湍动能的影响及不确定传播机制.结果表明,随机风速风向对翼型升阻气动因子不确定度影响显著,在计算攻角范围内S809翼型升阻比3σ置信区间相对不确定度最大为±35.13％;随机风速风向耦合作用下翼型升阻比不确定度分别是单随机因素下的4.76倍和1.08倍;翼型对来流不确定性敏感区域为前缘,可以考虑在翼型前缘部分进行气动稳健性优化设计.     

风速对小型旋翼无人机螺旋桨的影响分析

为研究风速对小型旋翼无人机的气动特性的影响,在中国民航大学风洞试验室模拟不同来流下无人机的飞行状态,通过动力测试系统测量螺旋桨的拉力、扭矩、系统效率、桨力效等参数,并分析了风速对螺旋桨性能参数的影响。并进行了计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟,计算了T-MOTOR直径558 mm的碳纤维螺旋桨,并与试验结果进行对比验证模型的有效性。通过试验与数值模拟分析风速影响下小型旋翼螺旋桨不同风速与不同转速的参数变化。结果表明,数值模拟与风洞试验具有一致性,其中扭矩误差在5%以内,拉力误差在13%以内,且风速对小型旋翼无人机动力系统参数具有极大的影响,对无人机飞行的安全性具有严重的威胁。通过研究可为小型旋翼无人机的优化与风速对适航安全提供参考。     

冲击式小型气动马达机械特性研究

为了适应易燃、易爆及防磁的工作环境,该文研制了一种冲击式小型气动马达。介绍了冲击式小型气动马达的工作原理和具体结构组成,理论分析了其喷嘴流量特性和叶轮受力情况,并通过计算机仿真研究了其主要结构参数变化对输出转矩的影响规律。为了对马达输出的转矩和机械功率进行实验研究,设计了一套小型机械特性测试装置。实验研究结果表明：冲击式小型气动马达输出转矩与转速具有良好的线性关系,调速范围广,符合实际应用的要求。     

下游塔架对水平轴风力机叶片气动负荷的作用

为了研究水平轴风力机叶轮与下游塔架之间的动静干涉作用,并将二者的相互作用简化为二维翼型与后置圆柱之间的气动干涉,通过数值模拟的方法分析了在翼型尾缘下游不同位置处放置的圆柱对叶片载荷的影响.研究结果表明,下游塔架对叶片载荷的影响主要与塔架直径和二者的相对位置有关.当叶片掠过圆柱塔架时,翼型上下表面的流速分布产生了明显的改变,进而造成气动载荷发生显著的变化,其变化幅度可以达到定常计算情况下的50%.该工作对风力机叶片的周期气动力疲劳寿命的评估提供了参考.     

分布式能源用垂直轴风力机气动特性的 对比分析

为便于分析现有不同结构风力机性能特点,建立3种结构垂直轴风力机模型.基于ANSYS Workbench中流场计算模块CFX分别对3种模型进行流场仿真分析,从不同的方面对比了3种风力机模型的流场特性差异.对3种机型的受力分析,得出阻力与升力随叶尖速比变化的对比关系以及风轮放置形式对升力与阻力的影响.通过风力机参数研究,得出3种机型的风能利用系数与转矩系数曲线,并对3种机型的这2种参数曲线做了对比.此外,还分析和对比了3种风力机不同位置处的相对流速和压强分布规律,提出了Jensen尾流模型的压强表述.总之,该研究成果能为分布式能源用垂直轴风力机的优化设计和对比提供了借鉴和参考.     

一种低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

以一台1.5 MW变桨变速型三叶片风力机为研究对象,探讨了三种入流条件下水平轴风力机气动性能的异同,着重研究了一种典型低空急流对水平轴风力机气动性能的影响.结果表明:低空急流下风轮的功率和推力比均匀流和剪切流的大;低空急流下叶片表面压力总体大于其他两种流动,急流衰减内的翼型截面在吸力面中段存在一个比剪切更加显著的压力突降区;叶片各截面的法向力系数和切向力系数整体大于其他两种流动;低空急流下各截面的攻角比剪切流的大0.05%~36.66%,叶片表面的失速区尤其是叶根附近的失速区相对其他两种流动更大,分离线向前缘靠近,急流衰减内的翼型截面分离涡现象更加明显;对不同特征低空急流下水平轴风力机气动性能影响的研究将在未来的工作中进行.     

炮射导弹气动特性风洞实验研究

用风洞实验方法研究炮射导弹的气动特性. 采用模块化方法设计了一组炮射导弹风洞实验模型,进行了6分量测力实验,实验马赫数范围为Ma=0.8~1.2,攻角范围为α=0°~12°,俯仰控制舵偏角为δ_z=0°~15°. 通过风洞实验,得到了炮射导弹的气动参数及其变化规律,研究结果为炮射导弹外形优化设计提供依据.     

旋转作用下水平轴风力机气动性能分析

为研究水平轴风力机在大气边界层近地面非定常来流作用下气动耦合特性,建立基于剪切应力传输(SST)湍流模型的计算流体力学(CFD)模型和静力结构模型。为模拟风轮在近地面的气动状态,通过单向流固耦合方法对流场均匀入流风速和旋转效应作用下不同工况进行数值耦合计算,求解风力机流场中的速度场、压力场、结构响应状态以及输出功率,分析对比流场不同方向风力机周围速度变化、表面压力分布、结构应力应变规律、整体变形情况和功率变化。结果表明：在均匀来流和旋转共同作用下,流速和压力主要沿风轮径向变化,沿叶片展向至叶尖速度逐渐增大;整机结构附近有明显的气流扰动变化;停机工况和旋转工况(考虑旋转效应)塔影效应干扰下叶片变形在上下风区波动较大;入流风速大小对风力机输出功率有显著影响。     

导流型垂直轴风力机气动特性的数值研究

分析了传统垂直轴风力机效率低的原因,并数值研究了带有导叶的导流型垂直轴风力机的气动性能.研究结果表明,导叶不仅可以有效地降低因来流对动叶轮吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,而且还有助于改善来流对动叶轮压力面的有效冲击,这些均使该风力机动叶轮的旋转扭矩得到显著增加.因此,导流型垂直轴风力机可以有效克服传统垂直轴风力机性能上的缺陷,有望提高其风能利用效率.     

不同头部外形高速列车气动性能风洞试验研究

通过对包括CRH2在内的4种不同纵向长细比比例尺为1∶8的高速列车模型进行风洞试验,分析雷诺数对车辆气动力系数的影响;比较4种高速列车模型的气动力特性;对不同流线型外形列车进行大侧偏角试验,研究高速列车在侧风作用下的安全性.研究结果表明:列车流线型头部越长,鼻形更加突出尖锐,头部流线型更加光滑,更有利于降低空气阻力;当模型列车流线型长度相差不大时,纵向长细比系数越大即车头外形越细长,对减阻越有利;4种动车组头车、中车和尾车的侧向力及升力系数均随侧滑角的增大而迅速增大;当侧滑角大于10°时,头部最大纵剖面轮廓线曲率较大的模型,横风作用下的侧向力系数比其他3种模型车的侧向力系数显著增大,升力系数较小.     

低风速风力发电机组造价与度电成本分析

为了提高低风速条件下风力发电机组的经济效益,提出了一种通过合理设计叶片来降低机组度电成本的方法。以相同功率等级、不同叶片长度的3种风力发电机组作为研究对象,在不同风力条件下分别计算各机组的年发电量,利用经验公式对各机组的总成本进行估计。结果表明:机组的度电成本随着平均风速的升高而降低。在平均风速较高的地区,长叶片机组在度电成本上的优势并不明显。而在平均风速较低的地区,机组的年发电量随着叶片的加长而明显增加;尽管总成本有所升高,但度电成本依然得以降低。通过适当减小叶片的最佳叶尖速比、增大风能利用系数也可以降低度电成本。该文还论述了通过合理选择叶片长度、优化翼型以及应用新材料来提高机组经济效益的可行性。     

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...     

不同倾斜角叶尖小翼水平轴风力机气动性能

为研究不同倾斜角的叶尖小翼对叶片气动性能的影响,设计了5种不同倾斜角的叶尖小翼,并采用结构化网格技术与CFD数值计算方法对比分析其气动性能。研究结果表明:与原始风力机相比,5种不同小翼对风力机输出功率及风能利用率均明显提升,最大输出功率增长16.73%,风能利用率增长4.41%;倾斜角较大的叶尖小翼能更多地增大叶片的上、下翼面压差,且翼根弯矩更小;大倾斜角小翼能明显改善叶尖绕流,打散叶尖拽拖强涡量,降低叶尖能耗损失。     

平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究

研究了浮式平台的运动响应对风机气动性能影响.利用动量叶素理论及变速变桨比例积分微分（PID）控制技术,考虑了低于额定风速、额定风速、高于额定风速3种工况,对NREL 5MW水平轴风机随浮式平台运动的气动性能进行了模拟和分析.仿真结果表明：浮式平台的运动使风轮产生了与遭遇波浪同频的周期性载荷,同时浮式平台的运动响应幅值越大,低于额定风速时的平均功率越高,且额定风速时的平均功率越低,而高于额定风速时的平均功率基本不变.     

大型风电长叶片气动外形的高效低载三维设计

海上风力机等大型风电设备叶片较长，所承受气动载荷较大，易产生变形，影响气动性能和运行稳定性。针对这一问题，以美国NREL实验室的5 MW大型风电叶片为例，对其进行以各截面翼型形线、安装角及额定功率下桨距角为设计变量的高效低载三维优化。优化基于动量叶素理论和多岛遗传算法，以叶根弯矩最低和风能利用率最大为优化目标，并将优化叶片与原始叶片于变桨、变风况下的气动性能进行对比。结果表明：在设计工况下，相较于原始叶片，优化叶片在保证高气动效率的同时叶根弯矩降低了5%；变风况条件下，变桨前优化叶片的风能利用率平均提升了1%，叶根弯矩平均降低了5.8%，变桨后优化叶片的叶根弯矩平均降低了4%。     

风力发电机耦合转子/机舱/塔架的气弹响应

发展了一种理论方法的计算程序 ,研究耦合转子 /机舱 /塔架系统气弹响应问题。利用以 Hamilton原理为基础的有限元法 ,应用 5节点 18自由度和 2节点 12自由度的梁单元模型分别离散桨叶和塔架。机舱简化为刚体 ,具有刚体一般运动。风模型为 2维拟定常风。采用子空间迭代法求解桨叶、机舱和塔架动力学方程。其中 ,桨叶非线性动力学方程具有周期时变系数 ,求解采用拟线性法。计算结果表明 :工作转速下风机能够安全、稳定运转。转子转速远远高于工作转速时 ,系统发生共振失稳