基于强迫振动和自由振动的风力机翼型涡激振动数值研究

基于动网格技术,分别采用强迫振动和自由振动方法对90°攻角下风力机翼型的涡激振动现象进行了数值研究。通过强迫振动计算方法,确定了Du96-W-180风力机翼型在不同振幅下的涡振区间,并比较了改变来流速度和改变结构刚度对涡振区间的影响;通过自由振动计算方法,获得了不同来流速度下的翼型涡振区间,对比了频率比r=0.93和r=1.11时不同结构阻尼对翼型振动响应的影响,分析了翼型涡振的发展和演化过程。结果表明:改变来流速度和改变结构刚度时不同频率比下的涡振区间基本一致;自由振动数值计算验证了强迫振动的涡振区间;不同频率比下6%结构阻尼比时翼型振动出现涡激振动和强迫振动2种形式。

垂直轴风力机尾迹的时空特性

基于非定常流场计算结果,对三叶片垂直轴风力机尾迹流场进行数值模拟,并在叶尖速比为2.65工况下对风力机尾迹流场进行频谱分析,然后采用动力模态分解(DMD)方法对垂直轴风力机尾迹流场进行模态分析。结果表明:近尾迹、过渡区尾迹和远场尾迹区具有不同的频率特征;而DMD分解结果提取了对应上述不同特征频率的流动模态,成功捕捉到了下游尾迹流场中不同尺度的流动结构,前5阶主要模态直观显示了尾迹流场中3个不同区域的流动特征结构。

轴流通风机叶顶区域流动的实验研究

将粒子图像测速(PIV)技术应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量.对3个不同叶顶间隙高度,分别测量得到了在3个不同周向平面上的速度.同粒子多普勒测速仪(PDA)时均测量结果进行比较,认为PIV可以得到与PDA相近的测量精度.根据PIV实验测量结果,重点研究了叶顶泄漏流动的涡旋结构,叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较.结果表明,叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与原有模型得出的估算公式的计算结果接近.

带叶顶间隙轴流转子三维流动的数值模拟

由于叶顶间隙的存在,使得叶片顶部的流动呈现复杂的三维流动.转子相对机匣的运动使得很难对其内部流场进行精确测量.文中采用CFX-Tascflow软件平台,对带叶顶间隙的轴流转子进行三维粘性流场的数值计算.数值计算的结果与实验测量的性能曲线较为吻合.基于数值计算,给出了叶顶泄漏流动的空间三维结构,分析了叶顶泄漏流卷曲形成叶顶泄漏涡的过程,揭示了轴流转子叶顶泄漏流动基本特点,有助于改进和提高叶轮机械的设计水平.

非正交LDV测量三维速度的一些研究

激光多普勒技术 (LDV)已经得到了广泛的应用 ,成为非接触测量速度场的重要工具。差动式LDV成为激光多普勒测量技术的标准以来 ,由于各种限制条件 ,一般不能直接利用正交LDV测量三维速度。而必须使用非正交LDV系统先测量得到非正交的三维速度 ,然后通过变换方程求得正交三维速度。通过理论分析 ,非正交LDV技术测量三维速度得到的一些结论对实际测量具有指导作用。

带间隙轴流转子顶部三维整体平均速度测量

用三维激光多普勒测速系统对带间隙轴流转子顶部流场进行测量。在15个不同轴向位置上,获得在90%叶高以外的转子内部、进口以及出口三维整体平均速度分布。根据所测量得到的三维速度,清楚地展现了转子顶部流动的特性,特别是泄漏流对顶部流动的影响。泄漏流沿叶顶弦线从顶部流出,在叶片吸力面侧形成泄漏涡,叶片的旋转运动使得泄漏涡核心向压力面靠近。在顶部区域泄漏流和主流发生混合作用,并被认为是叶顶泄漏流动所造成的主要流动损失之一。

PDA和PIV在旋转叶轮测量中的周向定位

分析讨论了PDA和PIV测量系统在旋转叶轮测量中的周向定位的方法 。

带失速延迟模型的改进型升力线法预测风力机性能

采用带Du-Selig静态失速延迟模型的改进升力线法对风力机不同来流风速下的性能进行预测,静态失速延迟模型可以弥补对输出功率的低估;还分析了来流风速在7.0～10.0 m/s时沿径向的攻角分布以及有无失速延迟模型时的升阻力系数分布.通过比较发现在中间叶高处出现最大攻角,相应地在该叶高位置最先发生流动分离.

汽轮机低压缸变工况特性的数值研究

采用数值计算的方法,基于k—ε两方程湍流模型的雷诺时均NS方程求解得到汽轮机低压缸通流部分的流场,通过比较不同背压工况下的流动特点,分析低压缸的变工况特性,着重研究高背压相对小容积流量时末级叶片的流场,为下一步叶片颤振分析给出流动数据。

汽轮机低压排汽缸内辅助板块对其性能影响的数值研究

采用数值计算的方法,求解得到汽轮机低压排汽缸内部的流场,通过比较静压恢复系数和流动不均匀系数分析了有无加强肋和涡壳挡板对流场和性能的影响。计算表明挡板通过破坏通道涡,改善了排汽系统的静压恢复能力,而背弧上的肋板则削弱了通流能力,导致排汽缸静压恢复能力下降。

汽轮机低压排汽缸内导流挡板对其性能影响的分析

通过吹风试验研究了汽轮机排汽缸内安装导流挡板对排汽缸性能的影响,采用CFD软件对排汽缸计算模型进行了模拟,获得了安装不同导流挡板的工况下排汽缸的气动性能和内部流场的变化.结果表明:在排汽缸内合理地安装导流挡板能有效提高排汽缸的扩压能力并降低流动损失,而且还可以改善其出口流场的均匀性.试验和数值模拟均证明,使流量在导流挡板两侧平均分配的5号挡板的效果最佳,分别使静压恢复系数提高了约0.029,使总压损失系数降低了约0.025,使出口不均匀度降低了约30.0%.

时序效应对涡轮叶片非定常作用力影响的数值研究

为了研究时序效应对尾迹传递及其与下游叶片排的作用机理,利用基于密度修正的求解雷诺平均N-S方程的商用CFD软件对某一1.5级轴流低压涡轮级进行了详细数值模拟。通过调整第二级导叶的周向位置来产生时序效应,结合叶片中径处的静压系数分布来详细分析时序效应对涡轮叶片非定常力的影响。结果表明:时序效应对涡轮效率影响很小,涡轮最大和最小气动效率之间相差0.1%,当进口导叶尾迹撞击出口导叶前缘时涡轮效率最小;时序效应对动叶表面中径处压力分布影响不大,对出口导叶影响较大,压力分布改变的主要原因包括尾迹的对流传递及其撞击引起叶片环量改变;时序效应对涡轮出口导叶气动力分布影响较大,相对最大效率,最小效率下的气动负荷系数和方位角要大。

基于iSight平台的汽轮机低压排汽缸气动优化设计

采用iSight优化设计平台构建了1个汽轮机低压排汽缸全三维粘性气动优化设计系统,该系统耦合了参数化建模、CFD分析与组合优化技术.采用该系统分别对具有轴对称和非轴对称2种不同结构导流环的汽轮机低压排汽缸进行了气动优化设计.优化后与原型设计相比,具有轴对称导流环的排汽缸平均静压恢复系数提高了21.21%,具有非轴对称导流环的排汽缸平均静压恢复系数提高了45.46%,表明该系统能有效地提高汽轮机低压排汽缸的气动性能.

基于Kriging代理模型的改进EGO算法研究

代理模型是复杂工程优化设计问题的关键技术之一.基于Kriging代理模型的EGO算法作为一种贝叶斯全局优化算法引入了EI函数来确定校正点,保证了算法的全局收敛性.首先针对原始EGO算法的不足之处,提出改进EGO算法.然后采用改进EGO算法对4个经典函数和1个工程算例进行测试,最后从算法的收敛速度和精度两方面将不同的算法进行比较.结果表明改进后的EGO算法达到原始EGO算法精度时所需迭代步数更少,与基于响应面的优化算法相比在收敛速度和精度方面更具有优势.说明该方法适应性强,具有很高的工程实用价值.

无叶扩压器中非定常流动的DMD模态分析

采用动力模态分解(DMD)对离心压气机无叶扩压器内的复杂流场进行分析,选取1.8kg/s设计工况和1.4kg/s非稳定工况下的非定常数值计算结果为基础数据,得到这2种工况下10%叶高平面上切向速度、径向速度的模态云图以及特征频率,评估了DMD方法分析离心压气机非定常流动特征的能力.对不同特征频率下的流场进行重构,直观深入地再现了无叶扩压器内部非定常流动的变化过程.结果表明:在小质量流量下,叶片扫描频率的影响效果虽然仍占据主导,但受到抑制;捕捉到失稳频率约为193Hz,失稳模态在扩压器内沿周向占据3个固定的位置交替波动,不稳定波动沿扩压器周向并不存在旋转.

小翼对风力机气动性能的影响

采用升力面法作为风力机气动性能预测模型对以美国国家新能源实验室NREL Phase VI风力机叶片为原型加装相应小翼的风力机进行气动性能预测与分析。结果表明加装小翼可在提高风力机功率输出的同时有效控制叶片载荷,降低风力机各部件的强度要求从而有效控制风力机各部件成本。

旋转对涡轮叶片气膜冷却影响的数值模拟

采用数值模拟的方法对旋转涡轮叶片表面的气膜冷却效率进行了研究,同时对涡轮静叶栅和动叶片在不同的旋转速度下分别进行计算,分析不同转速、吹风比和冷却气流喷射角度对气膜冷却的影响。计算结果表明,旋转使压力面气膜冷却效率降低,转速越高,气膜冷却效率越低;在吸力面冷却孔下游附近区域,叶片旋转对气膜冷却效率的影响不大,但叶片旋转使离冷却孔较远处的吸力面冷却效率升高。同时,在旋转状态下,靠近叶顶区域的叶片表面气膜冷却效率升高。

无叶扩压器失速的三维可压缩流模型

为了研究离心压缩机系统内无叶扩压器的失速问题,提出了一种三维可压缩模型.采用奇异值分裂(SVD)方法求解离散后的三维可压缩流欧拉方程,得到了无叶扩压器失速时的临界流量系数和失速团相对转速.研究显示,在无叶扩压器较长的情况下,入口马赫数对临界流量系数和失速团相对转速都有重要影响.此外,无叶扩压器临界流量系数还受到无叶扩压器出入口半径比、扩压器入口平均流动的轴向分布以及叶片后弯的影响.实验比较显示,三维模型的预测结果相比二维模型更为准确.

改进EGO算法在跨声速翼型气动优化设计中的应用

为了解决复杂工程优化问题计算量大的问题,提出了基于Kriging代理模型的改进EGO(Efficient Global Optimization)算法.采用小生境微种群遗传算法求解Kriging模型的相关向量,避免了模式搜索算法求解相关向量时对初始值的敏感性问题.采用小生境微种群遗传算法,结合无惩罚因子的惩罚函数法对EI(Expected Improvement)函数寻优,解决了惩罚因子难以选择的问题,增强了算法的鲁棒性.采用2个数值算例和1个工程算例对算法进行测试的结果表明,改进后的EGO算法收敛精度更高,比较适合在工程中应用.

自适应Kriging近似模型及其在二维扩压器优化设计中的应用

将均匀设计方法、CFD技术、Kriging近似模型及小生境微种群遗传算法相结合发展了一种自适应全局优化设计方法。优化过程中综合考虑Kriging模型的预测值与预测标准差,引入了EI(Expected Improvement)函数得到校正点,解决了采用近似模型最优策略得到校正点带来的局部收敛问题。分别采用该方法和小生境微种群遗传算法进行扩压器气动优化设计,以扩压器平均静压恢复系数为目标函数并采用Nurbs曲线完成几何参数化建模。优化后扩压器平均静压恢复系数提高了8.5%,结果表明本文方法比随机性优化算法更为有效。