摆式振荡翼塔筒尾涡潮流能捕获系统的水动力性能分析

为实现对海上风电场中潮流能有效利用,提出一种将振荡水翼潮流能捕获装置与海上风力机水下塔筒结合的摆式振荡翼塔筒尾涡潮流能捕获系统。联合格子玻尔兹曼和大涡模拟方法,对NACA0015翼型在有无塔筒尾流效应时,不同运动参数对其水动力特性及能量收集效率的影响进行数值分析,并从水翼运动过程中的旋涡结构分析了俯仰振幅、升沉振幅及振荡翼弦长对系统捕能效率的影响。结果表明,塔筒尾涡显著提升振荡翼的能量收集效率,同时振荡翼的加入能减慢塔筒涡脱,降低由钝体绕流引起的疲劳载荷。摆式振荡翼在塔筒尾涡区域内的捕能效率最高可达30.72%,与传统振荡翼潮流能捕获装置相比具有明显优势,为提高海上风场整体能源利用率提供了一种有效的方式。

剪切来流条件下风力机尾流场特性实验研究

以水平轴风力机模型为研究对象,利用一维热线测速技术,在Eiffel型风洞中研究了湍流边界层条件下风力机尾流场特性。实验结果表明,和平均速度、湍流强度等特性一样,湍流积分时间在尾流场中也出现衰减,并随风力机下游距离增加逐步恢复,在x/dT=10处,约恢复至来流的70%;受边界层影响,3种流场特性在竖直平面均呈非对称分布。基于频谱分析,在尾流场不同位置,不同尺度湍流结构对流场湍动能量的贡献度分布情况不一样。在风轮区域内,尾流场中湍动能量在近流场主要受风力机旋转影响,在远流场,尺度大于风力机直径的低频微团则起到主导作用,同时,基于无量纲的斯特劳哈尔数表明,在远流场(x/dT>4)存在不稳定的尾流弯曲现象。

基于滑移网格的垂直轴潮流水轮机的三维数值模拟

为了探究翼型对垂直轴水轮机水力效率的影响,基于叶素理论分析建立了垂直轴潮流水轮机在水槽中的物理模型,采用滑移网格技术在Fluent软件中对模型的流场进行了三维数值模拟。在保持转速一定、更改来流速度即改变叶尖速比的条件下,分析了两种不同NACA翼型直叶片的潮流水轮机内部流场以及水力性能。结果表明,翼型以及叶片安装角对垂直轴潮流水轮机的利用效率影响很大,其流动特性与来流速度、叶片布置形式有重要联系,为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。

直叶H型潮流水轮机三维数值模拟

为了探究直叶H型潮流水轮机水动力性能的影响因素,在理论分析的基础上,应用大型建模软件UG建立了直叶H型潮流水轮机三维模型,基于滑移网格技术采用Fluent软件对水轮机模型进行三维数值模拟,在保持直叶H型潮流水轮机叶片翼型一定、水轮机密实度相同的条件下,通过改变转轮叶片数以及来流速度,分析了潮流水轮机水动力性能。结果表明,叶片数对直叶H型潮流水轮机水动力性能影响很大,叶片数越多,输出扭矩值越小,当叶片数为3、叶尖速比为1.63时,水轮机最高获能系数为31.21%。

新型H型叶片潮流能水轮机不同翼型水动力性能分析

为了探究垂直轴潮流能水轮机转轮叶片翼型对其水动力性能的影响,在保持水轮机密实度相同的条件下,采用Fluent软件对4种不同翼型的H型直叶片潮流能水轮机进行了三维流场非定长数值模拟。通过4种H型叶片翼型对转轮动力扭矩特性和水能利用系数的影响,分析了潮流能水轮机水动力性能。结果表明,NACA0015翼型的水轮机单叶片动力扭矩最大值明显高于其他3种翼型;而整体转轮扭矩最大值取决于其不同的来流速度等运行工况。从整体上看,不对称翼型NACA4415的水轮机水能利用效率优于其他3种翼型。本研究为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。

风力机机头风速与输出功率相关性分析及应用

鉴于用机头风速代替入流风速来预测输出功率的误差较大,因此以某实际风电场为例,计算机头风速和入流风速之间的相关系数,将机头风速拟合成关于入流风速的线性式,并对比由机头风速预测所得的输出功率曲线与模型功率曲线。结果表明,当机头风速与入流风速的线性关系式的一次项系数与1偏差不大时,使用机头风速预测的输出功率较可靠。但对于风场里的后排风机,必须先使用Jensen尾流模型求出后排风机的入流风速,再预测输出功率。将此方法应用于实际风场中预测的超短期输出功率与实测功率基本吻合,进而证实了此方法在风电场输出功率预测中的可行性。

大型斜流泵模型泵装置水力性能的研究

为了探讨斜流泵段与泵装置水力损失及空蚀试验的异同点,以河海大学多功能水力试验台为基础,通过试验测量和计算,对比分析斜流泵段和斜流泵装置的水力损失及有效空蚀余量。结果表明:斜流泵段在叶片安装角度较小时,其水力损失由叶片表面摩擦损失和出口混合损失决定,而当叶片安装角度增大时,其水力损失由进口撞击损失决定;泵装置较泵段水力损失变化稳定但变化幅度较大;斜流泵装置与泵段在设计扬程附近有效空蚀余量随叶片安装角度增大而增大,但在偏离设计工况时数据变化无明显规律,且斜流泵装置与泵段比较有效空蚀余量总体偏小。

复杂地形风电场非均匀入流条件研究

针对风电场入流条件受复杂地形影响非均匀分布的问题,提出了一种由风力机功率反推非均匀入流条件的方法。以均匀入流条件下复杂地形风场计算为基础,使用致动盘模型模拟风电场尾流效应,获得轮毂入流风速与致动盘平均风速的映射关系,再以致动盘平均风速为中间量,推导功率与轮毂入流风速的对应关系,最终反推非均匀入流条件。通过与CFD计算出的非均匀入流条件对比,误差在20%以内,验证了非均匀入流条件反推法的可行性,可为复杂地形风电场微观选址优化和功率预测提供理论依据。

斜流泵压力脉动模型试验研究

为探究斜流泵叶轮进出口处压力脉动的分布规律,通过模型试验测量斜流泵在不同叶片安装角度及扬程下叶轮进出口的压力脉动,运用时域和频域分析法对比分析压力脉动。结果表明,当扬程低于额定扬程时,随着扬程增加,泵运行趋于稳定,压力脉动相对幅值逐渐减小,当扬程达到额定扬程后,压力脉动相对幅值达到恒定值;叶轮出口处离转轮位置较近,受叶片旋转作业的影响较大,导致出水流道处压力脉动相对幅值较进口处大;叶轮进口处压力脉动频率以3倍转频为主,2倍转频脉动干扰较明显;叶轮出口压力脉动较复杂,在6倍转频处波动最大,同时伴有低频脉动。研究成果可为斜流泵设计与管理提供理论依据。

冷却塔专用水轮机的数值模拟与性能研究

以冷却塔内额定流量为0.833m3/s的双级贯流式水轮机为研究对象,基于ANSYS-Workbench操作平台对其进行单向流固耦合分析。采用三维建模软件UG,建立水轮机模型。使用商业CFD软件Fluent,对全流道模型进行三维定常湍流数值模拟,分析了内部流场及各部件的水力损失,得到了转轮叶片上准确的水压力分布。将流场计算结果应用到结构场中,使用有限元分析软件ANSYS,对转轮设计工况下的刚强度进行了计算,得到了转轮的静应力分布和变形情况。

风电场湍流积分长度演变实验研究

实验研究5×3对齐式排布的风电场湍流积分长度(Λ)的演变规律,主流向和展向机组间距分别为10倍和2.5倍风力机直径(dT)。采用一维热线测速仪获得风电场不同位置的高分辨率流场数据。分析结果表明,Λ在水平面上呈近似对称分布,而在竖直方向上由于受边界层影响呈非对称分布。受旋转风力机的影响,Λ在风力机后方发生剧烈的衰减,而随着外部流场大尺度湍流微团的不断渗入,Λ随下游距离的增加逐步恢复。特别地,从第3排风力机尾流开始,风电场流场基本呈现稳定平衡状态,下游风力机前端位置的Λ约为整个风电场来流湍流积分长度的60%。在风电场上方约0.5 dT以上高度的流场结构受风电场影响较小。

一种新型波浪能发电转换装置试验研究

针对目前已有的越浪式发电装置和振荡浮子式波浪能发电装置,设计研发一种新型浮筒式波浪能发电装置,并进行物理模型试验研究。浮筒随波浪上下运动,将波浪能转化为水势能,利用水轮机发电技术,产生稳定电能。基于波浪能发电装置中浮筒因素,研究不同浮筒形状及吃水深度对输水管道中流量、蓄水池中上水量及装置能量俘获效率的影响特征。结果表明:浮筒锥度和浮筒高度对输水管道中流量、蓄水池中上水量及能量俘获效率都有影响,其中浮筒高度的影响更为显著;随着浮筒吃水深度的增大,输水管道中流量有增大趋势;3号浮筒表现的性能更优于前2种浮筒,且在在波高为190mm,周期为3.33s,吃水深度为41mm时,能量俘获效率达到最大,此时效率为73.55%。

基于大涡模拟的贯流式水轮机压力脉动分析

基于大涡模拟的Smagorinsky-Lilly动态亚格子模型,分别对灯泡贯流式水轮机的7个不同工况进行了非定常计算,得到了每个工况下流道内关键位置处测点的压力脉动信息。研究表明:该贯流式机组流道内压力脉动均含有转频分量,且距离转轮越近脉动越强;转轮区压力脉动最强,且脉动频率为叶片通过频率的自然数倍(5 n fn);尾水管的压力脉动主要由尾水涡带引起,叶片转频的影响可以忽略,尾水管中心区域的脉动强度大于外围;流道内压力脉动总体强度与水头和出力呈近似线性的正相关,而与流量、效率没有显著关联。

风力机气动性能分析虚拟仿真实验平台设计与实现

为将风力机气动特性理论应用于新能源课程的实验教学中,基于Unity 3D和3D Max软件设计开发了风力机气动性能分析虚拟仿真实验平台,构建了原理认知和规律探究实验模块,进行了风力机发电的气动原理感知仿真、翼型气动优化设计和叶片附加结构气动优化设计实验研究。结果表明:该平台具有良好的人机交互性能和创新性,在强化学生对翼型气动特性理解、经济性、线上教学方面具有明显优势,提高了风力机空气动力学实验教学质量。

短试验段内格栅湍流场风洞试验研究

为在轴向距离较短的风洞中调制出局部高湍流场,利用风洞试验的方法,对5种格栅(2种方型格栅、3种竖条格栅;3 cm×3 cm截面铝制型材组装)后的近流场区域进行热线风速仪测量,得到格栅后近场区域的湍流参数分布及各向同性特性,依据相关湍流参数的变化规律,引入无量纲量拟合近场区域湍流强度变化规律经验公式,拟合优度为0.96。分别利用经典和现代谱估计对湍流功率谱密度进行分析,对比发现不同形式的谱估计均能准确预测近场区域湍流功率谱密度,仅在低频处存在偏差。通过改变格栅与测点距离、来流速度以及栅条结构的形式,可以改变格栅湍流场中的能量结构。

基于正反装叶片的垂直轴潮流水轮机水动力性能分析

为了解不对称翼型叶片的正反安装对垂直轴潮流水轮机水动力性能的影响,运用CFD软件技术,建立了不对称叶片正反安装的潮流水轮机模型,分析了不对称叶片在正反两种安装方式下,叶片压力面和吸力面压力系数随叶片相位角不同而发生的变化,同时利用效率公式计算得到了效率。结果表明,叶片的正反安装对水轮机的水动力性能影响较大,当叶片正装即不对称翼型叶片凸向朝外时,垂直轴潮流水轮机效率优于叶片反装时,叶片在相位角为0°~120°区间转动时,转轮扭矩先增大后减小,在60°、180°、300°时得到最大扭矩。