不同建筑环境下平均风速剖面的数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法对具有不同建筑环境参数的城市上空的风场进行系统性的数值模拟,并对平均风速剖面指数的变化规律进行讨论。研究结果表明,建筑平均高度对平均风速剖面指数的影响较大,建筑密度对平均风速剖面指数的影响较小。文中还给出了以建筑平均高度和建筑密度为自变量的平均风速剖面指数经验公式。

梯度风场滑翔仿生飞行器设计与仿真

将信天翁从梯度风场中获取能量滑翔数千英里的飞行策略应用在飞行器上是突破飞行器续航瓶颈的重要方法之一。本文结合信天翁身体特性和飞行策略,设计了一种具有信天翁仿生外形、气动布局和控制方式的仿信天翁飞行器,巡航时升阻比为梯形翼飞行器的1.13倍,最大可达梯形翼飞行器升阻比的1.31倍,通过翼尖变形阻力最高可减小12%,翼根载荷减小35%。根据信天翁在滑翔时不时扑动翅膀的行为提出了间歇动力梯度风滑翔方法,对仿信天翁飞行器进行了风梯度滑翔操控性能仿真。结果表明实际飞行路径与风梯度滑翔路径的误差小于5%,能量消耗为匀速飞行的51.5%,验证了间歇动力梯度风滑翔策略的合理性。

丘陵地区10 m高度以下近地面风场实测及非平稳特性分析

为确定10 m高度以下风场特征以指导光伏支架结构设计,在陕西汉中某拟建光伏电站场址内开展了近地面风场实测.由于实测结果存在较高的低频能量,分别选用平稳模型和基于离散小波变换的非平稳模型,研究了10 m以下近地面风场的平均风速、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和风功率谱等特征参数,并与规范取值进行对比分析.结果表明:丘陵地区10 m以下近地面风场具有一定的非平稳特性;平稳模型会高估风的湍流强度和湍流积分尺度;非平稳模型较好地提取了时变平均风速,提高了样本的平稳性,且与光伏结构易发生共振的高频部分能量密度有所增大,能量接近Kaimal谱和von Karman谱,高于平稳模型结果,更具适用性.

四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制半物理仿真系统

针对四旋翼无人机强耦合、欠驱动、非线性等特点,以及在实际飞行过程中极易受到干扰的问题,对四旋翼无人机动力学模型进行分析,提出了一种基于联合的四旋翼无人机姿态控制算法,并在此基础上设计了四旋翼无人机半物理仿真系统。首先,针对非线性系统设计滑模控制器,选择跟踪航迹和翻滚角设计位置控制率和姿态控制率。其次,滑模控制器在实际应用中易产生震荡,利用基于信用积分的小脑模型神经网络(CPCMAC)来学习滑模控制的方式。最后,搭建基于LabVIEW的控制站,同Matlab/Simulink进行数据收发控制。仿真结果表明,在跟踪目标相同时,提出的四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制相比于传统的比例积分微分(PID)控制和积分反步法控制优势明显,能够抑制超调和余差,在快速性和鲁棒性方面都更加优越。同时,构建的四旋翼无人机半物理仿真平台能清晰反馈出无人机参数的变化,应用预留的参数接口和地面控制站,降低了无人机飞控算法的开发难度,提高了开发效率,具有明显的实用价值。

基于CFD的LNG储罐瞬时大风环境数值模拟研究

为分析不同大风风速下储罐迎风侧和背风侧压力分布情况和风场特点,采用k-ε湍流模型,建立液化天然气(LNG)储罐区瞬时大风环境模型。利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent对LNG储罐风环境进行模拟,利用软件分析模块生成储罐压力云图和风速矢量图。研究结果表明:LNG储罐在迎风侧承受压力高于背风侧,压力呈现对称分布;储罐前端与两侧易产生气体漩涡,但总体速度曲线较为规律,无混乱复杂的速度曲线。研究结果可为LNG场站抗灾韧性增强、极端大风天气应急疏散路径规划等多方面提供理论参考,对LNG储罐区安全建设具有重要指导意义。

基于SHAP重要性排序和时空双流的多风场超短期功率预测

针对多风场风功率预测中时空特征提取不充分的问题,提出一种基于空间、时间双流特征提取的功率预测方法。采用沙普利加性解释(SHAP)方法分析原始高维数值天气预报(NWP)中各变量的重要性,选择贡献度高的变量子集作为预测模型输入,降低模型复杂度。构建基于自适应动态邻接矩阵的改进图注意力网络(IGAT)提取多风场的动态空间特征;同时将多头注意力机制(MHA)与时间卷积网络(TCN)结合,加强关键时序特征的学习。使用前馈神经网络输出多风场功率预测结果。以西北某十风场的数据进行案例研究,结果表明所提模型的预测效果优于其他模型。

基于雷达探测数据的尾涡危险区评估

针对尾涡危险区域的研究可以有效避免后机尾涡危险遭遇事件的发生,提出了一种基于激光雷达探测数据的尾涡危险区计算方法。根据雷达实测数据反演飞机尾涡的演化轨迹和速度环量;基于后机遭遇前机尾涡的空气动力学响应构建滚转力矩系数模型;考虑尾涡在实际场景下的演化情况,结合反演得到的尾涡特征参数,计算飞机遭遇尾涡时的滚转力矩并计算尾涡危险区。结果表明:基于激光雷达探测数据反演尾涡特征参数,左涡和右涡的位置、环量并不一致,据此结合滚转力矩系数模型计算得到的整体危险区域也具有不对称性,当单涡更稳定时,对应的危险区域也更大。以B738为后机,选取某一尾涡探测片段验证,对于涡心坐标位置为左涡(390 m,8.61°),右涡(435 m,8.85°)的尾涡,左涡、右涡的环量分别为256.83 m^(2)/s和223.35 m^(2)/s,左涡相对右涡实际划设的危险区覆盖范围更大,因此后机与前机左右尾涡的安全阈值区域不同,可据此对横向间隔做出不同调整,因此所提方法有利于为分析后机遭遇安全性、缩短尾流间隔提出重要参考。

风流对寒区特长隧道洞内纵向温度场的影响

为揭示自然风流对寒区隧道洞内温度场的影响,以川西高海拔公路隧道为工程依托,基于现场调研、实地测试和数值模拟,分析洞内风流对未贯通隧道和已贯通运营隧道温度场的影响。研究表明:1)施工过程中,机械通风对施工期隧道洞内温度场的影响较大,加大了洞外冷空气对洞内温度场的影响,使得洞内负温段有所延长;2)单向风流作用下,贯通隧道洞内温度场具有进风口端温度低、出风口端温度偏高的特征,纵向温度场具有非对称性特征;3)对于寒区特长运营隧道,在洞内无风或有微弱风流的情况下,外界冷空气很难影响到洞内温度场;4)洞内存在双向交替风流时,贯通隧道洞内温度一般呈现出洞口低、中间区域高的特征,纵向温度场呈现抛物线形的特征。

高海拔深切峡谷典型季节风参数日变化特征

为确定高海拔深切峡谷典型季节风特性参数的日变化特征,依托青藏高原某横跨雅鲁藏布江的大跨度桥梁为工程背景,开展桥位风特性现场实测,选取冬季、夏季没有较强天气系统作用的典型时段,统计分析风速、风向、风攻角、风速剖面等平均风参数,采用db8小波提取时变平均风速,通过非平稳风速模型分析紊流强度、积分尺度、紊流功率谱等脉动风参数。研究结果表明:峡谷风场风速、风向均呈现以天为周期的规律波动,风速在凌晨和上午相对较小,不同季节风速起落时间不一致,夏季、冬季风速分别在10:00、12:00开始逐渐增加,在20:00、21:00后开始快速减小,夏季风向基本稳定,冬季风向在15:00存在突变,风攻角与风速、风向显著相关,在冬季先减后增、15:00取最大负值,夏季相反;冬季风速剖面显著变化、夏季趋于平稳,指数律模型不能准确描述峡谷风速的垂直分布规律;夏季紊流强度趋于平稳,冬季先减后增、12:00取最小值,实测横风向、竖向紊流强度与顺风向比值高于规范推荐值;冬季、夏季紊流积分尺度变化趋势相同且与风速变化趋势一致,实测积分尺度远小于规范推荐值;归一化功率谱峰值频率随时间变化先减后增,功率谱可采用统一形式进行描述,并考虑其在频域内分布随季节、时间改变产生的偏移效果。

不同防风设施过渡段接触网风场特性分析

研究目的:大风经不同防风设施过渡段后形成涡流区,在接触网及承力索附近形成大风增速区,加大接触网的风偏和振动,对接触网的安全性、稳定性及抗疲劳性产生更大影响。为研究不同防风设施过渡段接触网处的风场特性,根据兰新高铁明洞与路基挡风墙防风过渡段的典型结构,基于数值计算及风洞试验,对列车在隧道、明洞、挡风屏和挡风墙等不同防风设施运行时的接触网处风场特性进行研究。研究结论:(1)不同线路结构风速变化规律基本一致,来流风速经过车身绕流作用,风速先急剧增大,随着列车逐渐远离监测点,风速减小并最后趋于稳定;(2)防风设施过渡段承力索处风速较接触线处大;(3)不同防风设施过渡段隧道口及隧道与路基挡风墙过渡段风速峰值较大,运行时应给予重点关注,建议采用弹性定位器等措施,改善弓网的运行状态;(4)本研究成果可为防风设施过渡段的接触网设计提供依据。

列车活塞风对寒区铁路隧道温度场的影响

研究目的:列车通过隧道会产生活塞风,活塞风会将寒区隧道洞外冷空气带入洞内,导致洞内温度场分布发生变化,若对这种影响认识不到位,会导致洞内抗防冻措施不合理造成冻害发生,影响隧道运营安全。鉴于此,采用理论分析和数值模拟等方法,分析列车活塞风对隧道洞内温度场的影响机制,研究列车活塞风对寒区特长铁路隧道洞内温度场的影响规律,为寒区隧道抗防冻设计提供技术支撑。研究结论:(1)冬季列车通过隧道后,活塞风会引起洞内温度场在短时间内显著变化,列车活塞风对洞内温度场持续影响时间较短,列车通过后,洞内温度场会逐渐恢复,特别是当列车频次较小时,基本可恢复到自然通风条件下状态;(2)行车频次导致洞内纵向负温长度增大或减小率均在1%左右;随着围岩温度的增大,隧道洞内纵向负温长度显著降低,且围岩温度越高,活塞风作用方向对洞内温度场影响越小;(3)考虑活塞风对寒区隧道防寒抗冻影响时,应重点考虑其对两侧水沟抗防冻的影响;由于局部衬砌会出现交替冻融现象,隧道结构设计时,应对衬砌耐久性做一定的考虑;(4)本研究成果可供寒区特长铁路隧道建设参考,特别是单向自然风条件下铁路隧道抗防冻设计。

核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗研究

为研究核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗特性,推导了核电半速汽轮发电机空载运行时励磁绕组匝间短路故障下,定子分数次谐波环流产生的合成磁动势表达式,分析合成磁动势相对于转子的转速,揭示了转子表面产生涡流的原因以及涡流的频率特性。结合涡流损耗计算方法,以一台核电半速汽轮发电机为例进行了仿真验证。在此基础上,对核电半速汽轮发电机励磁绕组不同位置发生相同程度匝间短路,以及励磁绕组发生不同程度匝间短路过程进行了仿真,计算了转子各阻尼条及槽楔中的涡流及涡流损耗,揭示了励磁绕组匝间短路时影响转子阻尼条及槽楔中涡流和涡流损耗的因素。为核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障时,分析转子发热的影响因素提供了理论基础。

GNSS海洋反射信号接收机设计与分析

针对全球导航定位系统(global navigation satellite system,GNSS)海洋反射信号遥感技术的需求,文章设计了一种GNSS海洋反射信号接收机,用以对GNSS直射信号和反射信号进行接收。多普勒延迟映射结构是GNSS海洋反射信号接收机中的关键部件,采用直射信号通道闭环、反射信号通道开环的方式,反射信号通道利用直射信号通道获得的扩频码和多普勒频率,在半个C/A码片时间内进行相关积分,得到反射信号的相关峰波形。由于海面反射的GNSS信号是多个不同反射信号的集合,合成码的相关波形和直射信号不同,其位置和形状包含了海洋学参数信息,通过此相关函数波形即可解算出海面风场信息。GNSS海洋反射信号接收机技术可以为海洋环境监测、基础测绘、灾害监测等领域提供技术支持。

基于Hotelling T2-BiLSTM的同步调相机故障诊断方法

同步调相机故障会严重影响特高压直流输电工程的稳定性。针对特高压电网中不对称电压条件下同步调相机励磁绕组匝间短路故障难以识别问题,提出基于霍特林T2-双向长短期记忆网络(Hotelling T2-BiLSTM)的同步调相机故障诊断方法。首先,从三相电压、三相电流、励磁电流、转子振动和无功功率中提取故障特征,计算Hotelling T2统计量以构建故障检测指标;然后,采用BiLSTM模型对特征进行分类,并利用逻辑回归层进行故障诊断;最后,在动模实验室中进行实验验证其有效性。实验结果表明,所提方法具有较高的故障诊断精度。

风雨场中海上风机气动性能数值模拟研究

随着风力发电项目的不断发展,外部的降雨环境会对海上风机的气动性能造成一定的影响。以NREL-5MW型海上风机为研究对象,采用标准k-ε湍流模型建立数值模型,对比分析其在风场与风雨场中的气动性能,探讨了风雨共同作用对风机整体结构气动性能的影响规律。结果表明:降雨时风机结构的迎风面雨滴分布比例最高,虽然风机整体受到雨荷载占风荷载的比例较小,但是塔架受到的雨荷载占到塔架受到的风荷载的10%,作用力不能忽视。并且降雨也会降低风机的发电效率以及使叶片产生自振,影响其工作稳定性,需确保节点连接质量和强度。

建筑屋面风雨场及突出建筑立面风驱雨的实测研究

文章对某多层建筑屋面区域风驱雨(wind-driven rain,WDR)开展实测,结合3类典型降雨事件的分析,揭示大气湍流特征以及风速、风向对雨滴的影响特性,并针对突出屋面建筑,实测分析立面WDR分布特性,量化国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)半经验模型对突出屋面建筑WDR预测的偏差。结果表明,在3类降雨事件中,湍流度、阵风因子和湍流积分尺度的实测值与基于地面实测建立的公式理论值之间存在较大差异;实测的雨滴数量与标准M-P谱计算的雨滴数量差值最大为125个。在风速和雨强差异较小时,建筑立面WDR分布受来流与立面夹角的影响显著。由于ISO半经验模型是基于地面实测建立的,其对突出屋面建筑WDR的预测存在偏差,在模型适用的降雨条件下实测值约为ISO预测值的2倍。

基于MTF-Swin Transformer的风机齿轮箱故障诊断

针对风机齿轮箱实际工况复杂多变及含有强噪声,传统故障诊断方法对风机齿轮箱故障诊断识别准确率较低的问题,文章提出了MTF-Swin Transformer风机齿轮箱故障诊断模型。首先,采用马尔科夫变迁场(MTF)图形编码方法将原始一维振动时序信号转化为具有关联时间信息的二维特征图谱;然后,将特征图谱作为Swin Transformer模型的输入,基于自注意力机制进行自动特征提取;最后,实现对不同故障类型的分类。仿真结果表明,该方法对齿轮箱故障诊断准确率达到了99.48%,证明了该方法的有效性和优越性。

高导热储热材料对高功率密度永磁电机温升的影响

如何降低电机温升是电机设计中一个至关重要的问题.将绝缘漆与高导热材料、储热材料、固化材料通过一定工艺制备成高导热储热材料,填充在样机绕组端部与外壳的间隙处,并对其进行了温度场分析与温升实验.结果表明:利用储热材料吸收热量的特性与高导热材料的高导热率可有效降低电机温升10.2℃,电机功率提高了9.8%,高导热储热材料能有效提高电机的性能.

基于结构优化的聚风装置流场特性数值研究

INVELOX风能发电是一种管道式风能采集系统,该系统可在多方向和低风速下获取风能,系统效率取决于来流风速和文丘里管平均风速的比值,即流速比SR。文章基于INVELOX系统进行模型优化,设计了一种小型风能采集装置,使用基于格子玻尔兹曼方法(LBM)的流体力学计算软件XFlow对该装置在不同风速下的流场特性进行数值模拟,通过计算文丘里管内SR比值,得出其临界工作风速为3 m/s。通过对V-SR图分析可知,随着流场风速的增大,该装置对环境中风速的增强作用随之增强。考虑现实环境的应用情况,以6 m/s作为流场风速,对水平和倾斜来流风向下的INVELOX系统进行了仿真分析,得到不同攻角下文丘里管内工作段风速变化情况,为此类能源采集装置的工程应用提供参考。

IDDES方法模拟风切变下大型水平轴风力机流场特性

为研究风切变条件下大型水平轴风力机流场特性,以NH 1500 kW大型水平轴风力机为研究对象,运用计算流体力学中模拟流场精度较高的IDDES(改进延迟分离涡)方法,分析流场内瞬时速度分量、脉动速度和风力机输出功率。结果表明:风轮平面周围流场速度波动大,轴向速度在风轮旋转边界以外的区域会增大,在旋转边界以内的区域会亏损;脉动风速频谱特性在低频区与风轮转频的整数倍相关,风力机功率呈余弦形式输出并满足湍流谱特性。