双转子风力机气动建模与控制仿真研究

为研究双转子风力机的气动特性和风能利用率,基于NREL 5 MW和WindPACT 1.5 MW风力机转子,搭建了双转子风力机模型,并进行了功率优化控制仿真。首先,建立了双转子风力机的气动、塔影效应、传动链与发电机模型,在Matlab/Simulink中搭建了双转子风力机模型。其次,基于自由涡尾迹法(Free Vortex Wake, FVW)对双转子风力机流场进行了不同风况下的仿真计算。最后,基于模糊控制设计了双转子风力机功率控制策略,并与PID控制策略进行了比较。结果表明:与CFD相比,FVW计算的流场风速相对误差绝对值小于10%,能够快速动态计算双转子风力机的流场分布;对比不同风况,双转子风力机的风能利用率可提高约24%;模糊控制策略在双转子风力机功率动态响应和抑制功率波动方面改善明显。

悬跨海底电缆涡激振动特性及疲劳损伤分析

悬跨海底电缆作为细长柔性结构,在静力平衡状态下具有一定的垂度,在水流作用下的涡激振动特性与海底管线和海洋立管等结构也有很大的不同,其振动模态受垂跨比影响很大。通过物理模型试验开展了不同垂跨比下悬跨海缆的涡激振动和疲劳损伤特性研究。试验模型按照水弹性相似准则设计,试验中测量了不同流速下海缆模型产生涡激振动时的应变历时数据,采用模态分析法获得了模型涡激振动时的振动模态和振幅。分析了不同流速下海缆模型的振动模态、应变和疲劳损伤的变化和分布特征。试验结果表明:垂跨比显著影响了海缆的涡激振动模态和应变幅值大小。在本试验流速范围内,对一定长度的悬跨海缆模型,当垂跨比较大时,随着流速的增大,模型涡激振动的主响应振动依次出现反对称1阶和对称1阶模态;当垂跨比较小时,模型涡激振动的主响应模态依次出现反对称1阶和对称2阶模态。当涡激振动主响应模态为反对称1阶时,疲劳损伤最大值达到0.1~0.7。

自由汇流旋涡多相耦合输运演变机理

含自由液面的汇流旋涡抽吸演变中存在多相耦合、物质传输、能量剧烈交换等物理过程,其中所涉及的多相流体耦合输运机理是具有高度非线性特征的复杂动力学问题,多相黏滞耦合输运动力学建模与数值求解具有较高难度.针对上述问题,提出一种含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运建模与求解方法.基于水平集-流体体积耦合(CLSVOF)计算方法,结合连续表面张力模型和可实现(k-ε)湍流模型,建立含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运动力学模型;利用一种有效的体积修正方案来计算高速旋转多相流,保证流场质量守恒和无散度的速度场;结合相间耦合求解策略对多相流体分布与多相界面进行精确追踪.基于旋流场多特征物理变量,得到多相耦合界面动态演变与跨尺度涡团输运规律,揭示了多相耦合输运过程与压力脉动特性之间的相互作用机理.研究结果表明:多相耦合输运过程是流体介质过渡的关键状态,旋涡微团受到不同时空扰动模式在界面处形成层层螺纹波形;旋涡多相耦合输运过程随着水口尺度增大而增强,且耦合能量激波引起非线性压力脉动现象.研究结果可为旋涡输运机理、涡团跨尺度求解、流型追踪等方面的研究提供有益借鉴.

偏航工况下漂浮式机组非定常气动特性研究

采用自由涡尾迹法探索漂浮式风电机组在偏航工况下,受平台纵摇影响时功率与气动特性变化规律。研究结果表明:随着偏航角的增加,输出功率以二阶余弦函数下降,推力以一阶余弦函数下降;动态局部轴向诱导因子最小值产生从0°~22°的相移;法向力系数曲线分解所得基频与二倍频分量振幅和偏航角正相关,三倍频分量与偏航无相关性;其中,风轮旋转与纵摇运动耦合导致法向力系数产生相对运动频率更高频的三倍频分量。

平台纵摇对漂浮式风电机组叶片气弹特性的影响研究

海上风电向深远海发展,漂浮式风电机组成为发展方向。漂浮式风电机组存在多自由度平台运动,同时伴随海上多变的风况,叶片的气动特性和结构响应非常复杂。本文基于自由涡尾迹法与模态法建立了漂浮式风电机组叶片气弹模型,对NREL 5MW风电机组叶片的气弹特性进行了模拟,与采用BEM和GDW方法的计算结果进行对比。在对比验证的基础上,采用耦合模型研究了平台纵摇运动下NREL 5MW风电机组叶片气弹特性,结果表明,本文建立的耦合模拟方法可以准确地模拟平台运动下的气动性能与结构动态响应;平台运动会显著增加叶片气动性能的波动,平均功率明显增大,平均推力略有降低;平台运动使叶片表面等效应力发生波动,叶尖变形增大,中内叶展较外叶展更容易受到平台运动的影响。

自由悬挂分段式柔性立管涡激振动试验

在拖曳水池中进行自由悬挂分段式柔性立管涡激振动试验,通过改变拖车速度拖动立管产生不同流速,研究分段式立管动力响应规律。基于模态分析方法,分析立管应变响应、主导频率和位移响应等参数,并对典型管节动力响应规律进行讨论,研究自由悬挂分段式柔性立管涡激振动作用机理。研究结果表明:自由悬挂分段式柔性立管在涡激振动影响下发生不同程度的扭转,且约化速度越大,其影响程度越强,拖曳力对自由悬挂分段式柔性立管横向振动响应的影响不容忽视;立管中下部位置在涡激振动作用下呈现明显的模态竞争现象,低约化速度下,不同于常规边界条件(两端铰接或两端固支)下柔性立管涡激振动两方向主导频率呈双倍关系,出现两方向主导频率一致现象;立管横向位移振幅变化趋势与顺流向相反,顺流向模态转换区间滞后于横向,导致未在同一约化速度区间内发生模态转换。

水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素,通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应,但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性,基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型,以NREL 5MW风力机为研究对象,在额定风速条件下,研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上,对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明:风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大,同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小,并加快速度亏损恢复,降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果,使得尾流抬升,作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著,而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。

自由射流涡环的形成演化及空化现象

自由射流在淹没状态下产生涡环是流体力学中的常见现象,在高雷诺数时涡环的涡核区域会产生空化现象。通过大涡模拟方法进行数值模拟,研究了两种典型雷诺数下涡环的形成与演化过程,结果表明:雷诺数Re=3000时,涡核区域没有空化现象产生,此时涡环为纯液相涡环;雷诺数Re=160000时,在涡环的涡核区域产生了空化现象,此时涡环为气液两相涡环;通过分析流场的压力分布和蒸汽体积分数分布,找到了涡环发生空化现象的空化压力。

悬垂立管波致疲劳与流致涡激振动疲劳特性研究

悬垂立管是应用在养殖工船以及温差能发电平台上的一种特殊立管形式,其一端与平台连接,另一端完全自由,在风浪流以及平台运动的影响下易因疲劳损伤而破坏。对一根安装于可移动式养殖工船的悬垂取水管进行浪致动力响应时域求解与涡激振动频域预报,基于Miner线性疲劳累计损伤理论计算考虑全年浪流分布概率的立管波致疲劳与涡激振动疲劳损伤情况。研究发现:考虑浪流分布概率后,悬垂立管波致疲劳总损伤主要分布在立管近平台端,顺浪流方向上更为严重,而涡激振动疲劳总损伤主要分布在立管近自由端,横流方向更为严重;海浪谱的有义波高与特征周期分别主要影响波致疲劳损伤的积累速度与沿管长分布特点;单一工况下,悬垂立管截面上涡激振动疲劳损伤最大位置并非总出现在横流方向,需根据具体工况计算分析;从总疲劳损伤角度分析,波致疲劳与涡激振动疲劳所导致的结构损伤在同一数量级。

涡激旋转下方柱小幅振荡模态的自由流线-边界层理论模型

针对刚体在流体中涡激旋转的数值结果表明,方柱在低雷诺数涡激旋转中有六种模态.本文针对其中的小幅振荡模态,通过综合无黏绕流情况下的自由流线理论与有黏平板的边界层理论,提出了一种理论模型;通过与浸没边界法所得数值结果进行对比,验证了该理论模型的有效性;并分析了小幅振荡模态的主要驱动力,解释了出现周期性振荡的原因.

基于改进的无锚框目标检测算法的涡检测

在流体运动中涡对各种流场结构的生成和维持起着至关重要的作用,涡的识别和检测有助于理解流体流动规律。传统涡识别方法别存在定义不准确、严重依赖经验阈值、泛化性能差等问题,因此涡检测具有一定挑战性。本文从计算机视觉的角度出发,提出了一个基于目标检测算法的涡检测模型。针对原始目标检测模型对极端宽高比的细长涡检测效果不理想的问题,对两种不同类型涡的数据特性进行分析,并提出了基于可变形卷积(Deformable convolutional network,DCN)的特征自适应模块和基于改进损失函数的细长样本挖掘方法。采用圆柱尾流涡和潜艇尾部涡数据集对所提模型进行验证,实验结果表明改进后的模型检测精确率显著提高,并在细长涡的检测精确率上有显著提升,有效地平衡了各类型的涡检测性能。

光纤集成化高分辨率无标记差分显微成像系统

得益于荧光标记技术,远场超分辨显微成像技术的不断发展为人们打开了一道微观世界的大门。远场超分辨光学显微镜也成为现代医学、生命科学等领域研究发展的重要工具和设备。但是相比之下,远场无标记显微成像技术发展却相对缓慢。为此,本文提出了一种采用光纤器件的集成化差分显微成像方法。该方法通过特制的光纤模式选择耦合器(MSC)实现了差分成像系统中空心光斑的生成,并解决了空心光斑和实心光斑严格对准困难的问题。搭建了一套结构简单紧凑,高度集成化的无标记显微成像系统。实验中,采用直径为150 nm的金颗粒和最小间距约50 nm的无标记聚合物线对结构对系统进行成像测试,分辨率相较传统扫描共聚焦显微镜大幅提升。

双合成射流前体非对称涡控制技术及模型自由飞实验验证

为推进前体非对称涡流动控制方法在飞行器大迎角飞行控制方面的应用,提出并发展了一种基于双合成射流的前体非对称涡控制技术。研发了一套机载型双合成射流控制装置及模型自由飞验证机,通过风洞半自由飞及模型自由飞实验,验证了利用前体非对称涡控制技术实现尾旋改出和大迎角姿态控制的可行性;同时,依靠飞行测控系统和机载压力测量系统,实现飞行器姿态及前体表面压力的同步测量,可对前体非对称涡控制效能进行有效评估。风洞半自由飞实验结果表明:在60°迎角下,双合成射流可有效控制前体非对称涡相对位置,产生偏航力矩,实现大迎角航向操纵。在模型自由飞实验中,该技术可在常规方向舵失效的迎角下实现尾旋改出,可控尾旋角速度达到173(°)/s;依靠该技术,验证机可在大迎角飞行时进行快速偏航操控,由控制输入到偏航角速度改变的时滞小于0.5 s。

动态水力旋流器圆管螺旋流场特性研究

对动态水力旋流器圆管螺旋流场结构及形成原理作了简要描述。在深入研究动态水力旋流器分离机理及分离性能的基础上 ,运用圆管螺旋流动方程式进行了动态水力旋流器内部螺旋流动分布理论研究 ,得到旋流器内部流场按强制涡、自由涡、组合涡及螺旋涡的分布特性。同时利用直圆管柱模型 ,模拟计算出了圆管螺旋流的理论分布结果。研究和掌握动态水力旋流器内部流体螺旋流的运动及分布规律 ,为今后深入进行其分离机理、流场测试及分离性能研究打下了一定的基础。

风剪切和动态来流对水平轴风力机尾迹和气动性能的影响

对风剪切和动态来流情况下NREL Phase VI风力机尾迹结构和气动性能进行计算。计算方法采用基于Weissinger-L升力面模型和时间推进自由尾迹模型的涡尾迹方法。应用所建立的方法对轴流工况时风力机的气动性能进行计算,并与实验数据进行比较,验证了模型的有效性。之后对不同来流风,包括稳态风剪切、极端垂直风切变和极端运行阵风时风力机的尾迹结构和气动性能进行计算。结果表明,风剪切使得叶片在旋转周期内经历变化的风速,导致尾迹结构不对称,叶片载荷随时间周期性波动;非稳态来流时,尾迹结构非对称性更明显,载荷波动更大,风力机疲劳载荷增加。计算结果能够为风力机优化设计提供支持。

基于自由尾迹和升力面方法的双旋翼悬停气动干扰计算

建立了一个同时适合于共轴式、横列式及纵列式直升机双旋翼气动干扰分析的计算方法。在该方法中,为更好地模拟气动干扰特性及桨尖三维效应,桨叶模型采用了升力面/涡格法,尾迹则使用畸变的自由尾迹模型。通过旋翼下洗速度的计算值与可得到的实验值对比,验证了计算方法的有效性。应用该方法,以横列、共轴、纵列式双旋翼为例,分别计算了悬停状态双旋翼的尾迹特性及诱导速度变化,给出了部分尾迹边界,并对计算结果进行了分析。最后,给出了几点结论。

自由旋涡气动窗口非对称喷管的设计

对于高能激光器来说 ,晶体材料输出窗口因吸收致热而无法正常工作。自由旋涡气动窗口利用超音速自由旋涡来密封低压的激光腔。本文提出了确定气动窗口所需自由旋涡气动特性的过程 ,讨论了特征线方法在非对称超音速喷管设计中的应用 ,该喷管被用来产生自由旋涡流动。

大密封压比超音速自由旋气动窗口设计与试验研究

介绍了横向超音速自由旋气动窗口设计方法,分析了单级气动窗口难以实现大密封压比的原因。针对气动窗口扩压器入口气动参数分布特点,提出了一种扩压器带端壁吹气的气动窗口设计方案并进行了试验验证,气动窗口密封压比达到了85。结果表明:扩压器入口端壁吹气是一种有效提高气动窗口密封压比的技术措施,内端壁吹气对密封压比影响较大,外端壁吹气对密封压比影响较小。

基于自由尾迹方法的共轴式双旋翼流场分析

建立了一个适合于共轴式直升机双旋翼流场特性分析的自由尾迹计算方法。该方法中,桨叶模型采用了升力面/涡格法,尾迹则使用畸变的自由尾迹模型,以更好地模拟流场特性及计入桨尖三维效应。通过旋翼下洗速度的计算值与可得到的实验值对比,表明了该计算方法的有效性。然后,着重计算分析了共轴式直升机的旋翼尾迹结构和诱导速度分布,并与单旋翼情况进行了对比。结果表明:悬停时,与单旋翼相比,共轴式双旋翼在旋翼下方的诱导速度更大,但并非两幅单旋翼诱导速度的迭加;前飞时,随前飞速度的增加,上下旋翼间的相互干扰逐渐减弱。

前飞状态直升机旋翼的自由尾迹计算

应用时间步进方法，建立了一个前飞旋翼的全展自由尾迹模型。该模型采用圆弧涡元作为基本涡元，并依据自由尾迹涡线确定远尾迹形状以使远尾迹更接近实际和自由。为表明方法的有效性，分别以ＵＨ－１和Ｈ－３４两种直升机旋翼为算例，计算了不同前飞状态的自由尾迹形状，展示出小速度时尾迹畸变和叶尖涡卷绕的重要特征。在此基础上，应用自由尾迹分析，对前飞桨叶气动载荷进行了计算，分析了计及尾迹畸变对改进载荷计算的作用。