水平轴潮流水轮机转轮尾流特性数值分析

针对潮流水轮机转轮尾流对机组之间水力性能的干扰问题,利用CFD分析软件Fluent对单个水平轴潮流水轮机转轮模型和10倍转轮直径间距下的两台机组模型在额定流速条件下进行三维流场的数值模拟。结果表明,在水轮机转轮旋转平面内不同半径位置处的尾流流速恢复情况明显不同,离旋转轴线越远,尾流流速恢复越快,其流速亏损也越少;当水轮机组之间串列布置,且来流方向与旋转平面垂直情况下,下游机组运行受上游机组转轮的尾流影响较大,应尽量避免该布置方式。     

海流能水平轴水轮机水动力性能研究

运用简化风车理论,对海流能水平轴水轮机进行叶片设计。应用计算流体力学软件Fluent对水轮机进行水动力性能数值模拟,分析叶片表面压力分布、流场速度分布和获能特性。在浪流水槽中进行模型试验,将计算结果与试验结果进行对比。研究结果表明:桨距角、尖速比和负载对水轮机的水动力性能有影响,工程上应采取相应措施。     

不同交错排布对潮流能垂直轴水轮机性能的影响

为了优化潮流能垂直轴水轮机排布方案,采用计算流体动力学(CFD)方法得到双水轮机在不同轴间距H、不同相对位置角(RPA)β及前后排水轮机不同尖速比λ下平均功率系数CP变化规律,分析流场的速度和涡量云图,解释变化机理.同时,对比单、双水轮机尾流速度分布情况,探究双水轮机尾流特性.结果表明:后排水轮机处于前排水轮机尾流区内...     

横向布置单桩潮流能水轮机的数值模拟研究

文章以单桩潮流能水轮机为研究对象,通过数值计算的方法对横向布置下两台单桩潮流能水轮机的尾流场及机组性能进行研究。通过对比不同横向间距下单桩潮流能水轮机的尾流场,获得了横向间距对潮流能水轮机尾流场的影响规律。数值计算结果表明:单桩结构会改变水轮机的纵向尾流场,但对横向尾流场的影响较小;随着横向间距的改变,机组的功率系数和推力系数的变化幅值不超过0.01;横向间距对机组的横向尾流场也造成了影响,导致各个机组的尾流中心偏向两个机组的中间位置,且随着横向间距的增大,机组u/U0低于0.9的范围随之增大,幅值可达0.26D。     

水平轴潮流能水轮机性能的数值模拟与实验

为预测所设计水轮机的水动力学性能,分别采用滑移网格与多参考系的旋转模型在ANSYS workbenchFluent中对设计的潮流能水轮机进行数值模拟,得到不同桨距角、不同尖速比下水轮机的轴向力系数、扭矩系数、功率系数。利用3D打印技术制作水轮机模型,并在实验水槽中进行模型实验。实验表明,所设计的水轮机具有较好的水动力学性能,实验值与2种旋转模型数值模拟对比表明,利用滑移网格旋转模型比利用多参考系旋转模型进行数值模拟得到的结果更加精确,计算时间相应有所增加。另外,利用滑移网格的方法得到不同尖速比下水轮机转子叶片的正负压力分布规律,可为水轮机工况分析与水轮机叶片加工制造提供指导。     

串列不等直径水平轴风力机气动性能研究

为研究上游风力机叶轮直径增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响,采用计算流体力学方法对串列水平轴风力机三维流场进行模拟,以揭示上游风力机叶轮尺寸增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响规律。研究结果表明：增大上游风力机叶轮直径,会削减下游临近机组输出功率,增加机组在低频,1倍、2倍、3倍轴频推力脉动,增大机组疲劳载荷;随着风力机间距的增加,增大叶轮直径对12D范围外机组输出功率影响可忽略不计,但机组疲劳载荷在低频和1倍轴频仍有明显的增大。抬高上游机组轮毂高度,机组较近时,可使下游风力机避开一部分尾流,显著提高下游风力机的输出功率,但也会使风力机叶轮在旋转一周过程中产生较大的叶片推力脉动;当风力机间距较远时,抬高塔架高度有利于尾流恢复,进而提高下游机组输出功率,降低机组疲劳载荷。     

水平轴风力机多机组阵列的数值模拟

利用FLUENT软件对4台额定功率为1.2 MW的水平轴风力机分别在顺列和错列布置方式下及不同入流角情况下进行数值模拟,结合叶轮尾流理论分析转动叶片与塔架之间以及上游两机组间的尾流相互干扰对下游风力机输出功率的影响。结果表明:多机组风力机错列布置时上游风力机尾流对下游风力机功率的输出影响更小。在错列布置中,入流角为15°时上游风力机尾流对下游风力机的影响最小,同时下游风力机的输出功率较大,与其额定功率相比相对误差较小。合理的偏航角有利于下游风力机输出功率的提高,即提高整个风场效率。     

潮流能水平轴水轮机流场分析

用OpenFOAM开源软件对水平轴水轮机进行数值模拟，以推力T作为体积力附加源项均匀加载到制动盘模型（AD），进行求解计算。在尖端速度比（TSR）为5.5的条件下，对自由区、单台水轮机、水轮机阵列3种情况下的流场进行分析。结果显示：在来流上游时，三者流速曲线吻合，流速增长趋势一致。水流在AD前端时，AD会对其有阻力作用，导致流速大幅下降。在尾流处，在水轮机阵列上游中，并列两侧水轮机尾流与下游水轮机流场发生动能交换，使其尾流恢复速度大于单台水轮机尾流速度。然而，无论是单台水轮机还是水轮机阵列，它们轴线方向上的中部尾流恢复严重不足，这是由于尾流的干涉使得下游水轮机的来流速度不断减小，其可吸收转化的能量也减少，速度随之减小，尾流也无法恢复。     

水平轴潮流能水轮机尾流特性研究

文章以水平轴潮流能水轮机为研究对象,采用CFD方法对水轮机的尾流特性进行分析。通过网格无关性验证与已发表文献的比对,验证了CFD方法的精度。通过不同叶尖速比下的水轮机性能曲线,进一步分析了水轮机的尾流场速度分布特征。通过分析尾流场中轴向、径向和切向速度的分布特点,研究了水平轴潮流能水轮机尾流的微观结构特征及其演化规律。研究结果表明:尾流横向影响范围在以中心轴线为中心的1D范围内;在近尾流处,尾流速度具有周期性,轴向速度随着尾流下移而逐渐减小;在尾流旋转过程中,径向速度向外扩散并逐渐衰减,切向速度分量沿轴向逐渐衰减。     

导流罩对潮流能水轮机效率提升分析

设置导流罩能提高潮流能水轮机效率,缩小转轮尺寸,降低机组造价。为了揭示导流罩聚能增效机理,采用VOF两相流模型对竖轴直叶潮流能水轮机进行三维模拟分析。即先根据模拟对象计算无导流罩情况下水轮机效率与尖速比的关系曲线,并对比加装导流罩前后的流态变化;然后分析导流罩各体型参数对水轮机获能效率的影响,通过正交分析得到使水轮机效率最高的体型。研究表明,导流罩通过提高转轮下游盘面流速来提高水轮机获能效率,其中导流罩喉部宽度对水轮机效率影响最大。     

水平轴风力机尾迹叶尖涡运动轨迹的实验研究

利用高频PIV系统采集水平轴风力机下游远至4.5倍风轮直径范围内的尾流数据。首先通过对涡量场云图分析发现叶尖涡"交互跳跃"现象;然后对比不同翼型、风速、尖速比下,1、2、3、4倍风轮直径处的平均涡量值发现:随着尖速比的增加,叶尖涡"交互跳跃"现象提前发生;随着风速的增加,叶尖涡"交互跳跃"现象推后发生;得出叶尖涡"交互跳跃"现象的出现是尾流速度开始恢复的标志。而NACA4415翼型叶片发生叶尖涡"交互跳跃"现象的时间比S翼型叶片推迟,所以NACA4415翼型叶片的尾流速度恢复比S翼型叶片推迟。     

潮流能水轮机尾流场特性研究

研究水平轴水轮机的尾流场,在循环水槽中开展试验工作,采用ADV测量流速特性。利用计算流体力学技术进行数值模型研究,结合致动盘理论将水轮机进行简化,与试验结果进行对比分析,验证此方法的可行性。研究尾流场中速度和湍动能的变化规律,发现衰减系数在8D之后趋于一致,湍动能最大值出现在3D附近等现象。     

偏流条件下水平轴水轮机水动力学性能与尾流场研究

针对水平轴水轮机在偏流条件下的复杂水动力学问题,借助计算流体力学(CFD)数值模拟方法,建立了水轮机的计算模型并通过试验数据验证了模型及方法的可靠性,之后对不同偏流角下的水平轴水轮机的水动力学性能及尾流场进行了研究。结果表明,随着偏流角的增大,水轮机的平均功率系数和推力系数逐渐下降,而瞬时功率系数、推力系数和压力脉动系数的波动幅值逐渐增大。此外,水轮机的尾流场将变得十分复杂和不稳定,并在下游相应位置处出现反向漩涡,但尾流速度恢复明显加快。     

扰流对达里厄风力机气动攻角的影响分析

提出利用扰流来解决因局部方位角叶片攻角极小,而导致达里厄风力机整体性能较低的方法。采用多流管模型,预测扰流对风力机风能利用系数的影响规律,分析对在不同尖速比下赤道半径R和0.8R叶素攻角的影响规律。计算表明:在扰流的作用下,在最佳尖速比工况下,风力机风能利用系数提高了10%,且随尖速比增加,增幅继续增大,也扩大了风力机的运行尖速比范围。扰流增大了叶片攻角,在0?≤θ≤15?内,攻角增幅随方位角的增加而增加;在175?≤θ≤180?内,随方位角的增加而减小。旋转半径相同时,尖速比越大,叶素攻角的增幅越小;同一尖速比下,叶素旋转半径越小,方位角175?≤θ≤180?内的叶素攻角增幅越大。     

竖轴潮流能水轮机群数值模拟研究

为了实现竖轴潮流能水轮机群的优化布置,基于CFD方法分别对单排和双排水轮机群进行数值模拟。对于单排水轮机群排布,水轮机只有相互十分靠近时其输出效率才会得到显著提升,而相邻水轮机相对旋转方向对机群的效率无影响。对于双排水轮机群排布,下游水轮机会使上游水轮机的尾流变窄、流速加快,但对上游水轮机的效率无影响。合理选择上游水轮机的间距可提高下游水轮机的效率,优化的双排水轮机群排布方案大幅提升了整个机群的效率。     

单桩结构的潮流能水轮机尾流流场分析

为降低潮流能水轮机尾流效应对机组间距的影响,合理布置水轮机位置,通过数值模拟和水槽实验的方法对具有单桩支撑结构的潮流能水轮机尾流流场进行研究,在此基础上分析具有单桩支撑结构和不同安装高程对潮流能水轮机尾流流场的影响。结果显示:数值模拟与水槽试验总体上数值模拟与实验结果的趋势具有一致性;单桩结构对纵向近尾流场造成影响,会产生一个谷值突变;安装高程越高则导致沿转轮中心直线处的流速恢复越快。     

后掠式水平轴潮流能水轮机的载荷与获能特性研究

针对双向潮流能有效利用问题,设计一种基于对称翼型的新型后掠式水平轴潮流能水轮机,并研究其水动力性能。根据对称翼型升阻力特性与叶片展向攻角变化,采用变截面设计优化后掠式对称翼型叶片,并基于Buhl修正模型分析不同后掠偏移叶片所受推力与获能特性。通过3D建模与水槽实验,研究不同后掠偏移叶片的载荷与获能情况。模型实验研究表明,同一尖速比下,后掠偏移量为10%和15%的水轮机相对于偏移量为5%的水轮机所受推力最大分别降低4%和13.3%,获能效率最多分别减小3.8%和11.1%,其中推力比获能效率减幅更大。实验结果与理论分析变化趋势吻合,但减幅比理论值偏高。此外,该水轮机3种后掠偏移量下对应获能效率随桨距角的增大分别降低18%、14%和6%,获能效率下降显著,与300 kW样机实海况运行情况变化趋势相同。     

叶片旋向对风力机尾流特性影响的试验研究

采用一种简单、有效的方法来改善风力机尾流效应,提升下游风力机功率。进行叶片旋向对风力机尾流特性的试验研究,利用低频粒子图像测速（PIV）系统对NACA4415翼型的叶片进行扰流流场测试并采集风力机的尾流数据。当2台串列排布的风力机旋向不同时,首先在下游风力机前1D(D为风轮直径)处,叶尖涡涡核位置向中央尾迹区偏移,而外部主流区的流体在叶尖涡诱导区的输运和卷吸作用下持续进入中央尾迹区并与之掺混使得轴向速度恢复得更佳;进而分析下游风力机后1D的流场数据,结果显示：虽然下游风力机叶尖涡几何结构被“打碎”,但涡核能量却未降低;最后探讨影响风力机功率特性的因素,下游风力机入流角的增大促使下游风力机捕获更多风能,在风轮间距为2D时,逆向旋转的功率比比同向旋转时高4.70%,且功率比随间距增加其增幅逐渐减小。     

S型水轮机水动力性能研究

为了提高S型(Savonius)水轮机的水动力性能,应用Fluent软件构造其直叶片型和螺旋型三维模型,分别分析在不同扭角、不同叶尖速比和不同流速三种情况下的力矩特性及其捕能效率.仿真结果表明,传统直叶片S型水轮机旋转时存在负转矩区,而螺旋型S水轮机叶片形状会使水流产生竖直方向分量减小旋转产生的负转矩,提高水轮机的启动...     

后掠叶片在水平轴潮流能发电机中的应用研究

提出一种后掠的平直叶片(无扭角),叶片只依靠水动力实现双向小范围自变距,不使用滑环适应潮流的2个方向,与该叶片配套使用的轮毂是对称轮毂。在理论上研究叶片变桨的原理,在实验上研究叶片桨距角、后掠角和后掠位置对透平启动性能、透平效率、叶尖速比的影响。结果表明:后掠角越大,透平的启动能力越低,效率和叶尖速比越低;后掠位置越靠近叶尖,叶片的启动能力越高,效率和叶尖速比越高。