考虑叶片相互影响风力机涡流发生器参数化建模

参数化模型可解决数值计算中涡流发生器(Vortex generators,VGs)实体建模带来网格数量大的问题。基于升力线和三角翼理论,考虑了叶片间相互影响,建立了反向旋转、由三角翼构成的阵列式VGs的参数化涡模型,给出三角翼的最大环量值计算方法,以源项加入N-S方程,用于模拟VGs对叶片气动性能的影响。分别采用阵列式和单一叶片模型计算安装于平板的VGs环量特性,并与文献试验数据进行对比,结果显示:在0°≤α≤18°内,阵列式模型的计算误差仅为4.8%,在α=24°误差为13.2%;单一叶片模型计算结果随攻角增大而较大偏离试验数据,α=24°最大误差达49.4%。模拟了DU91-W2-250直叶片上5组VGs的气动特性,两模型对比结果显示阵列式模拟结果与试验值更加吻合。从流场模拟来看,实体建模和阵列式参数化模型得到的流场基本一致。     

利用涡流发生器抑制S形进气道旋流畸变的数值模拟研究

飞机一般采用S形进气道,针对S形进气道中流动分离较大的问题,采用内表面加装涡流发生器的方法减小旋流畸变。通过计算确认加装涡流发生器后进气道流动分离大大减弱,验证了涡流发生器的作用。     

双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能影响的研究

为了研究双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能的影响,以NREL Phase VI风力机叶片为模型,采用CFD方法分别对加装单排涡流发生器、不同高度参数双排涡流发生器共10种模型进行模拟,分析其在不同风速、转速下对风力机叶片气动性能的影响。计算结果表明,所有不同高度参数双排涡流发生器在不同转速、来流风速时,均能提升风力机叶片气动性能,改善风力机流场。其中,第一排涡流发生器与第二排涡流发生器高度差越大时,双排涡流发生器整体流动控制效果最好,即最佳高度参数Case 4(第一排涡流发生器高度3 mm,第二排涡流发生器高度9 mm)前低后高组合。同时,最佳高度参数双排涡流发生器和单排涡流发生器相比能进一步延迟流动分离,取得更好的流动控制效果。     

风力机设计与数值模拟分析

在考虑叶尖损失和阻力影响诸因素的条件下,依据动量叶素理论设计了螺旋桨形风力机叶片,同时对设计结果在Gambit中建立数值计算模型,指定边界条件类型并划分网格,然后利用Flu-ent软件进行性能数值分析计算,给出风力机性能参数。     

风力机叶片气动特性数值模拟

在保证定雷诺数和定风速的情况下,通过FLUENT软件分别模拟了不同攻角下二维翼型NACA4412的绕流流场,得到了翼型的表面压力分布、速度分布以及升、阻力系数,从而确定了最佳攻角。     

涡流发生器参数化模型风力机叶段表面应用方法研究

涡流发生器(Vortex generators,VGs)参数化模型可以有效提高加VGs风力机叶片的数值模拟效率。目前VGs参数化模型存在精度低,适用性差等问题。为了提高VGs参数化模型在叶段上的应用精度,提出了VGs参数化模型的应用方法,如源项添加方法、位置及源项区域网格。基于阵列式VGs参数化模型、Lamb-Oseen涡模型和上述应用方法,以加VGs的DU91-W2-250叶段为研究对象,进行模拟研究。参数化模拟数据与VGs实体模型、文献试验结果进行了对比验证,结果显示三者吻合良好,证明了模拟方法有效性和数据可信性。在不同来流风速和来流攻角下,对用参数化建模和实体建模的数值结果进行对比分析,来验证模拟方法对运行工况的普适性。研究结果表明：两种模型计算得到的涡结构和压力系数分布,在整体上都具有较高的一致性,且受来流功角和来流风速影响较小,证明参数化模型有较高的精度和普适性,可以代替实体模型在风力机叶段上应用。     

等离子体发生器的数值模拟方法

根据流体质量、动量及能量守恒方程和麦克斯韦方程组建立等离子体发生器的数学模型,包含一部分钨极以避免对阴极电流密度分布的假设,根据平均有效粘性系数与动力粘性系数之比判断等离子电弧所处的流动状态,用ANSYS有限元分析软件进行求解,得到不同类型的等离子体发生器所产生的等离子电弧的温度和速度分布,研究喷嘴尺寸、电极形状和等离子电弧类型等对等离子电弧特性的影响。结果表明,大孔道比的喷嘴产生的电弧温度更高,速度更大,孔道比甚至会改变等离子电弧的流动状态;与锥形电极的电弧在电极端部取得温度最大值不同,球形电极的电弧在约束喷嘴端口处得到温度最大值;转移型电弧比非转移型电弧具有更高的温度和速度。研究结果对等离子体发生器的数值模拟法研制具有重要的参考意义。     

涡流发生器对动态失速影响的模拟研究

基于风力机专用翼型DU91-W2-250直叶片段,采用延迟分离涡模拟（Delayed detached-eddy simulation,DDES）与k-ω SST两种CFD模拟方法,研究了涡流发生器（Vortex generators,VGs）对动态失速的影响,并对两种模拟方法的表现进行了比较。结果表明：动态失速下,光滑叶片段的分离与重新附着均出现延迟;加VGs后,上仰阶段叶片段的气动分离更加延迟,下俯阶段叶片段上表面附着流动重建的更早,气动力的迟滞现象得到明显改善。VGs对DU91-W2-250叶片段增升减阻的效果明显,其中最大升力系数增加10%,周期平均升力系数增加17.9%,最大阻力系数减少56.3%,周期平均阻力系数减少40.3%。DDES模型能更细致地反映VGs对动态失速抑制作用下叶片段表面复杂流动分离现象,k-ω SST模型则难以捕捉小尺度涡结构,模拟得到的涡结构展向呈二维分布。     

风力机叶片裂纹尖端温度场数值模拟

基于复合材料力学Tsai-Hill屈服准则推导平面应力条件下复合型裂纹尖端的塑性区。应用热耗散能量理论和ANSYS的热力耦合方法计算塑性区0°与45°开裂角玻璃纤维复合材料的热传导温度场。结果表明:0°与45°开裂角的裂纹温度变化趋势一致;0°开裂角裂纹数值与解析计算结果对比误差在5%内,可以对各向异性复合材料预制微裂纹进行温度场模拟分析计算;45°开裂角裂纹对玻璃纤维复合材料的温度场影响大,得出开裂角越大对复合材料的温度场影响越大。     

风力机叶片动力学响应的数值模拟研究

针对旋转风轮的工作特性,考虑风力机叶片空气动力学载荷、惯性载荷及重力载荷的耦合效应,建立了风力机叶片交变载荷的计算模型。基于叶片的载荷模型,以结构动力学理论为基础,在研究叶片位移向量与振动变形之间关系的基础上,提出风力机叶片动力学响应的数值模拟方法。选取某5MW风力机为研究对象,分析了该风轮的空气动力学性能,数值模拟了额定风轮转速和额定风速下风力机叶片的轴向和切向载荷分布,以及该载荷特性下叶片在挥舞方向和摆振方向的振动速度和振动加速度变化规律。     

Savonius风力机叶片弧度的数值模拟研究

为研究Savonius风力机的叶片弧度对其功率性能的影响,建立Savonius风力机的二维有限元分析模型,应用FLUENT进行数值模拟计算。计算基于RNG k-ε湍流模型,采用滑移网格技术实现风力机的转动。研究了叶片弧度从(140～180)°范围的风力机在不同尖速比下的平均力矩系数与平均功率系数,通过比较最大平均功率系数来确定叶片弧度的最优值。数值模拟的结果表明:叶片弧度越小,Savonius风力机受到的阻力矩越大,其平均力矩系数和平均功率系数就越低,即功率性能越差;叶片弧度在180°时,Savonius风力机功率性能最优。     

涡流检测的数值模拟与缺陷定量分析

将数值模拟与信号分析技术用于涡流检测缺陷的定量分析中。针对差动线圈,检测管子上不同埋藏深度缺陷的模型进行数值计算,得到对应的阻抗平面图。为了识别不同阻抗平面图所对应的缺陷,利用傅立叶变换方法进行了特征量提取,得到了不同的描述符;设计人工神经网络对不同的特征量进行分析识别,变换的傅立叶描述符可用作缺陷定量的有效特征量。     

涡流二极管泵内部流场的数值模拟

为了研究涡流二极管泵内旋流场的形成发展过程、分布特征以及其流动不稳定性存在的可能性,采用大涡模拟的方法对涡流二极管泵进行数值计算.计算结果表明: 涡流二极管泵内的特征流场为兰金涡结构,兰金涡在进口雷诺数达到1.4×104时形成;切向速度的峰值速度为进口流速的5倍左右,而且不同旋流腔直径下的涡核半径相同;此外,在边界恒定的条件下,兰金涡是不稳定的,其涡心的轨迹为椭圆状.     

对转风力机的设计及流场数值模拟

基于传统单转子风力机风能利用系数低的缺点,采用改进的Wilson方法设计了一个对转风力机,减小了湍流尾流的影响,提高了风力机总的风能利用系数。研究了两转子半径比对总的风能利用系数的影响。通过三维数值模拟对所设计的风力机进行了设计工况的流动分析。研究结果表明两个转子的最佳半径比为1.5,此时总的风能利用系数能够达到0.52,风能利用系数比单转子的风力机提高了15.6%,风能利用效率得到了一定的改善。     

气泡发生器内三相流动数值模拟

本文运用计算流体力学方法并采用非结构化网格技术对流动区域进行了网格划分,应用三相流混合模型对自行设计的射流微泡发生器进行了气、液、固三相流的流动仿真,得到了其内部三相流的流场分布,结果为射流微泡发生器的设计研究提供依据.     

涡流管内三维强旋流流场数值模拟

根据流体在涡流管内流动的强旋流特点,建立涡流管内流体流动的三维物理模型,采用计算流体力学中Realizable κ-ε模型对涡流管内流动进行数值模拟,得到切向、轴向与径向流速的分布规律,并对涡流管内部流场的循环流特性进行详细分析.在此基础上,利用量纲一分析方法将数值结果与前人的实测结果加以比较,在一定程度上验证了模拟结果的精确性.数值结果表明,涡流管内的流体流动呈现出复杂的三维流动状态,从旋涡的角度来看,有准自由涡与准强制涡的组合运动;从轴向与切向运动的合成而言,有外旋流与内旋流之分;从径向与切向的综合流动分析,则有所谓的螺旋流存在;就径向与轴向运动的合成而言,则有循环涡流的存在;轴向流速包络面是内外旋气流的分界面,内外旋气流以循环涡流的形式通过轴向零速包络面不断进行传热传质交换.     

涡流管的三维数值模拟及其实验研究

涡流管是一种没有任何运动部件的简单的能量分离装置,它能够将高压气体分离为温度不同冷热两股气流。对涡流管的性能的影响因素很多,例如进气压力,进气口的温度,长径比,冷流率以及涡流管的结构参数等。为了研究不同因素对涡流管性能的影响,以达到提高涡流管的效率的目的。用三维数值模拟的方法和实验相结合,主要研究进气口压力和冷流率的变化对涡流管的性能的影响。结果表明随着进气口压力的增加,涡流管的效率不断增加;同时当冷流率在(0.6~0.7)范围时,此时的冷却效率有最大值。     

水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟

为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性,利用计算流体力学软件FLUENT对水平轴风力机叶片常用翼型FFA-W3-211,FFA-W3-301和NACA63-215进行了数值模拟,并与试验数据进行对比和分析,验证数值模拟的可靠性。有利于了解风力机翼型的气动性能,为风力机叶片翼型选型和叶片翼型设计和研发提供重要依据。     

偏航对风力机气动性能影响的数值模拟研究

采用基于滑移网格模型的三维非定常数值模拟方法,对NREL Phase Ⅵ风力机在轴流工况下的气动性能进行计算,并与参考文献提供的实验值进行比较,验证了方法的可靠性。然后对该风力机在偏航工况下的尾迹结构和气动性能进行计算,结果表明:偏航工况时,风力机尾迹呈现明显的偏斜特性,且尾迹区的速度恢复比轴流工况慢;旋转周期内,叶片根部和中部受偏航入流的影响较大,导致叶片表面压力变化较大且吸力面流动分离严重,而叶尖区域受偏航的影响较小。计算结果能够为研究风力机的动态失速以及风场中风机群的优化布置等问题提供指导。     

垂直轴风力机气动性能分析与数值模拟研究

先采用叶素理论对垂直轴风力机叶片受力进行静态的分析,然后采用多流管理论计算出叶尖速比与功率的关系曲线,最后采用滑移网格技术对风力机进行了数值模拟,得到的功率与用多流管理论计算的结果吻合较好.