从天气尺度到风力机尺度大气运动的动力模拟

建立起中尺度天气模式WRF(weather research and forecasting)和计算流体力学模式Fluent的耦合系统,将WRF输出当做边界条件驱动Fluent,用于风场信息的精确模拟。利用该系统对下垫面条件复杂的鄱阳湖区域风场进行模拟分析,并将模拟数据与两个测风数据集进行定量比较,结果表明WRF耦合Fluent系统模拟的近地风场信息比WRF直接模拟结果有明显改善,证实中尺度天气模式耦合计算流体力学模式的技术思路有很好的可行性。这个耦合系统实现了从天气尺度到风力机尺度大气运动的模拟,能相对准确地给出风电场区域小尺度地形变化引起的风场细节。     

风电场脉动风模拟及风机塔架动力响应研究

为掌握风载作用下风机结构的动力学特性,采用Davenport脉动风功率谱,基于Shinozuka理论模拟某沿海风电场的脉动风速谱;采用Shiotani简化表达式,以相关系数矩阵考虑脉动风竖向相关性,推导空间脉动风随机过程表达式.建立风机塔底固接和考虑桩基刚度的两种有限元模型,计算自振特性和模拟风载作用下的动力响应.结果表明,该模拟方法能较好地反映风电场实际风况;风机结构自振周期与脉动风变化周期处于同一量级,两者接近时易产生顺风向振动和涡激振动;结构的低阶振型对风致动力响应有重要影响;考虑脉动风效应后,作用于风机上的风荷载和动力响应显著增大.该文成果为进一步开展风机结构的疲劳评价、振动控制及破坏分析奠定基础.     

基于RMA2模型的滩地风机基础水动力模拟研究

基于RMA2模型,以雷诺形式N-S方程为基础、以加权余量伽辽金有限元为基本求解方法,在实测地形上对河道进行概化,采用二次三角形网格离散模拟区域并进行局部加密,模拟了电场建设前后辽河滩地风机基础周边河段的水位、流速、流场分布等特性。结果表明,电场建成后对河道水位、流速影响均较小,虽存在局部绕流现象,但影响范围较小,绕流迅速消退,为电场建设和河道防洪评价提供了科学依据。     

基于大气透明系数的天气分类方法

因天气变化的随机性大且影响因素繁杂,一定程度上限制了太阳辐射模型的使用,该文从实际应用的角度出发,讨论大气透明系数作为天气分类依据的可行性,将大气透明系数的定义推广至复杂天气条件下,并对太阳高度角的影响进行修正,提出一种基于大气透明系数的天气分类方法,最后列举了该方法在太阳直射辐射模型中的应用,说明了这一方法的有效性。     

典型风电场地形大气稳定度对风机出力的影响

[目的]分析了大气稳定度对风机出力的影响,为提高计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）风能资源模拟精度提供技术参考。[方法]选取立于平坦和复杂山地两类典型地形上的两座测风塔不同高度的风速、气温、气压等观测数据,使用莫宁-奥布霍夫长度法分别计算两座测风塔所在区域的大气稳定度,参照Irwin大气稳定分类标准对稳定度计算结果分类,再根据分类结果进行两座测风塔轮毂高度处出力分析。[结果]结果表明：在近地面层,复杂山地大气热效应造成的表层垂直混合作用更为明显,造成的大气不稳定性较为强烈,但垂直混合作用不充分;复杂山地大气稳定度对风机出力的影响大于平坦地形,其不确定性更强。[结论]在进行CFD风电场流体建模时需要考虑大气稳定度的影响,特别是超低风速复杂山地场址条件下,大气稳定度的评估对风机选型及发电量仿真精度尤为重要。     

基于UMAT的风机叶片复合材料横向微观尺度力学响应分析

采用随机纤维分布阵列的代表性体积单元(RVE),并根据体积单元整体的受力特性对其边界条件进行设定,通过运行脚本快速有效地施加周期性边界条件。运用Abaqus材料子程序UMAT建立材料的损伤模型,并且通过有限元数值模拟对损伤模型进行了验证,得到了叶片复合材料受到不同横向载荷作用下的微观尺度力学响应,进一步展现了叶片受外载荷影响所引起的微观尺度的破坏趋势。     

风机叶片材料的冲蚀磨损模拟研究

通过气固两相流实验考查了风机叶片材料在不同风速、不同粒径下的冲蚀磨损率。采用FLUENT软件对相应实验条件进行数值模拟表明:随着风速的提高,磨粒所具有的动能与切应力也随之增大,当风速由7.9 m/s提高到17.4 m/s时,达到最大冲蚀率为0.004 32 kg/(m2·s);冲蚀率随着粒径的增大呈现先上升后下降的趋势,当粒径为0.109~0.212 mm时,磨粒对试样的最大冲蚀率为0.001 51 kg/(m2·s)。模拟验证了实验所得的冲蚀规律,并预测了各实验条件下的最大理论冲蚀率。     

风机塔架俯仰与桨叶挥舞的耦合运动

建立相应的运动微分方程，分析国产２００ｋＷ风力机的俯仰振动特性，给出风力机塔架俯仰挥舞的耦合运动。     

基于流固耦合的离心风机叶轮动力特性分析

采用数值计算软件CFX和Ansys对离心风机叶轮进行了流固耦合模拟研究,对叶轮的强度、模态和振动特性进行了计算和分析.结果表明:考虑流固耦合作用后,风机的气动性能几乎没有变化,但是叶轮最大总变形量减小2.5％,最大等效应力增大3.6％;考虑预应力效应后,叶轮的固有频率提高,且不同阶次条件下的提高幅度不同;在稳定运行工况下,叶轮周围气流压力的主要脉动频率与叶片通过频率相同;叶轮的固有频率部分落入局部共振区域,该区域的等效应力远小于叶轮材料的疲劳极限,不会导致叶轮疲劳破坏.     

氢气微尺度催化燃烧的数值模拟

通过耦合计算流体力学软件FLUENT和化学反应动力学软件CHEMKIN并采用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行了数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及当量比Φ和预混合气体入口速度对催化燃烧反应的影响。计算结果表明:表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;当量比Φ对氢气的催化燃烧过程有重要影响;随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在表面催化反应和空间气相反应两种控制因素;表面催化反应对空间气相反应的影响能被分成3种类型。计算结果为在微型动力系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据。     

车用吸附储氢系统的多尺度模拟

以车用吸附储氢系统为研究对象,根据能量守恒、质量守恒等基本原理,以D-A吸附方程、气体状态方程等热力学模型为基础,利用动态系统仿真工具Simulink、Comsol分别从系统、宏观等多种尺度建立了302K、10MPa条件下的车用储氢系统模型.对活性炭吸附储氢的充放气过程进行模拟,研究系统内压力、温度和吸附量的变化,并编...     

液雾燃烧的全尺度直接数值模拟

针对雾化燃烧的模拟精度受雾化模型影响较大的问题,发展了一种适用于液雾燃烧的全尺度直接数值模拟方法,不需要采用雾化模型,而是直接求解雾化、蒸发和燃烧过程,其模拟的可靠性在Stefan问题和液滴燃烧两个算例中得到了检验验证.结果表明:模拟结果与理论值和实验值吻合.该方法为下一步液雾湍流燃烧的高精度全尺度直接数值模拟研究提供了数值基础.     

汽车发动机动力特性的计算机模拟

结合汽车动力性分析过程,阐述了如何建立发动机动力特性的计算方程,并根据实例的计算结果,分析比较了各种方法的优缺点和对汽车动力性评价指标的影响,从而找出一种较为精确的计算方法。     

汽车发动机动力特性的计算机模拟

结合汽车动力性分析过程,阐述了如何建立发动机动力特性的计算方程,并根据实例的计算结果,分析比较了各种方法的优缺点和对汽车动力性评价指标的影响,从而找出一种较为精确的计算方法。     

氢气微尺度催化燃烧过程的数值模拟

通过耦合计算流体力学软件FLUENT和化学反应动力学软件CHEMKIN,并运用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行了数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及表面催化反应对空间气相反应的影响。计算结果表明：OH浓度的高低可用来判断微型管道内是否发生表面催化反应。由于壁面的催化作用,空间气相反应发生的难度增加,即表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;表面催化反应对空间气相反应的影响能被分成三种类型。计算结果为在微型动力系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据。     

汽车发动机动力特性的计算机模拟

结合汽车动力性分析过程,阐述了如何建立发动机动力特性的计算方程,并根据实例的计算结果,分析比较了各种方法的优缺点和对汽车动力性评价指标的影响,从而找出一种较为精确的计算方法。     

小型垂直轴风机的数值模拟与试验对比研究

利用试验和数值模拟两种方法对一种新型阻力型垂直轴风机的输出功率进行研究。在数值模拟中采用k-ε和SST k-ω两种湍流模型计算了风机在不同风速和转速下的输出功率,并与试验值相比较,验证了数值计算结果的可靠性,分析了不同湍流模型对数值计算结果和风轮流场的影响。     

风电场风速对风机叶片性能影响的模拟分析

建立了风机叶片的三维数学模型,采用计算流体动力学软件Fluent对风机叶片流场进行了模拟分析,通过调用Static Structural模块进行叶片形变分析,并在Workbench平台下实现了流固耦合.基于该方法研究了不同风速下的流场分布情况和叶片变形情况.结果表明:本文计算值与文献[14]中的测量值吻合较好,两者最大误差不超过5%,验证了本文数学模型和计算方法的正确性;随着风速的增大,叶轮表面的速度值也在增大,气动压强分布的不均匀性更加明显;当风速由5m/s增大至12.5m/s时,叶片的最大形变量增大了0.91m,叶片形变量与风速呈非线性变化关系;挥舞是叶片的主要振动形式.     

基于WGEN天气发生器的石羊河流域降水模拟

为实现石羊河流域降水的模拟,通过改进WGEN天气发生器模型算法,选择民勤、永昌、武威、门源、乌鞘岭、景泰、靖远和西宁等8个站点,利用各站点1968～1997年雨季逐日降水资料进行了降水模拟参数估计,并在此基础上采用KS检验及绘制Q-Q图对模型在石羊河流域的适用性进行评价,发现除尾部拟合不理想外,GAMMA分布能较好地拟合石羊河流域的降水状况;利用各站点1998～2017年雨季逐日降水资料实测值与模拟值,选取月平均降水日数、日平均降水量、雨日平均降水量和月最大降水量作为评价要素,分别计算4个评价要素中模拟值与实测值的均方根误差、平均绝对百分误差和相关指数,以此来评价降水模拟效果。结果表明,该模型能较好地模拟石羊河流域除极端降水情况以外的其他降水状况。