人股前区全厚、中厚和刃厚皮片垂直轴向本构关系及其意义

本文通过对股前区全厚、中厚和刃厚皮片垂直轴向拉伸试验，实验结果表明：它们的应力－应变关系为指数函数关系，材常数C（量纲）组间的比较依次为：全厚＜中厚＜刃厚，而材常数α（无量钢）组间的比较依次为：全厚＞中厚＞刃厚，并经t检验，刃厚支片的材料常数C和α与中厚或全厚去片相应的材料常之间的比较均有显著性差异（P＜0．01）。从一定应变时增量弹性模量的组间比较结果依次为：全厚＜中厚＜刃厚，刃厚片的增量弹性模量与其它两组比较均有显著性差异，这说明表皮抵抗变形的能力最强，乳头层次之，网状层最弱。

侧卧状态下人体垂直轴向感知距离实验

为了探讨人体侧卧状态下垂直轴向距离感知的规律,在消声室中进行了听音实验,并将其和仰卧状态下的实验数据进行对比分析。结果表明,侧卧状态下垂直轴向距离感知与信号频率及信号种类相关。在人体下方的距离感知中,纯音信号的距离感知趋势和窄带信号的距离感知趋势大体相同,在人体上方的距离感知中,窄带信号的距离感知趋势较纯音信号的距离感知趋势有一定的提升。

B-Spline曲线聚风装置直线翼垂直轴风力机启动性能数值模拟

为了提升直线翼垂直轴风力机的启动性能,基于B-Spline曲线生成方法,提出一种具有流线型轮廓的聚风装置,将其分别安装在风轮顶端和底端,用以提升风轮附近的来流风速,使风轮汲取更多风能,达到更易启动的特点.选取聚风装置的5个结构参数进行设计:聚风装置与风轮间隙距离ΔL、底圆半径R_(1)、顶圆半径R_(2)、入口角度α_(1)和出口角度α_(2).设计方法采用二次旋转正交组合筛选最优模型,通过三维数值模拟研究聚风装置参数对直线翼垂直轴风力机启动性能的影响,获得了最佳外形参数组合.此外,对有无加装聚风装置的直线翼垂直轴风力机进行了静态三维数值模拟.结果表明,通过添加具有外凸流线型轮廓的聚风装置,直线翼垂直轴风力机的启动性能有显著提升.在风速较低的情况下,性能改善更加明显.聚风装置可使直线翼垂直轴风力机的平均启动力矩系数最大增加38.8%,峰值平均启动力矩系数最大可增加31.2%.

双机组垂直轴水轮机水动力分析及其干扰规律

为探究双机组垂直轴潮流能水轮机的水动力特性及其干扰规律,基于计算流体动力学方法,对双机组水轮机在定常流下的水动力载荷进行数值计算;研究相对间距、初始相位角和相对偏移距离等参数对双机组水轮机水动力载荷和性能的影响,并分析其干扰规律。结果表明:相比单机组水轮机,双机组水轮机的平均能量利用率更高,并且随着相对间距的增加而逐渐降低;对称布置的双机组水轮机的旋转方式应设计为内旋,此时平均能量利用率最高,而机组侧向力相互抵消;不同旋转方式下均存在最佳的初始相位角和相对偏移距离,使双机组的平均能量利用率达到最大值。研究结果可为多机组垂直轴潮流电站设计的布置方案提供依据和参考。

三种流动控制方法对H型垂直轴风力机性能影响的对比分析

采用数值模拟的方法,分别以基于NACA0021和NACA0018翼型表面带吸气缝叶片的升力型垂直轴风力机为二维、三维研究对象,研究叶片表面施加吸气对提高升力型(H型)垂直轴风力机叶片做功性能的效果。通过开展二维模拟研究,探究多吸气缝在叶片吸力面上的位置对垂直轴风力机气动性能的影响,并对比研究吸气和吹气这两种常用的主动流动控制方法提升垂直轴风力机风能利用净效率的区别。在此基础上,对叶片表面采用吸气控制的垂直轴风力机进行三维数值模拟分析,并将其获能特性与采用波浪前缘叶片即被动流动控制后的垂直轴风力机的性能进行了比较。结果表明,当多吸气缝位置位于距离叶片前缘10%~15%弦长区域范围内时,能最好地抑制垂直轴风力机叶片表面的流动分离,改善叶片的气动性能。与吹气控制方法相比,叶片表面采用吸气控制后的风力机的风能利用净效率在全叶尖速比下的增幅更加明显;而与波浪前缘控制方法相比,采用吸气控制后风力机风能利用净效率在低尖速比下提升效果更为显著,最大提升幅度可达到140%。该文研究结果表明吸气方式可使垂直轴风力机的效率在较大的运行工况内都有明显提高,与吹气和波浪前缘的方法相比在提升风力机气动性能效果方面更为显著,因此也更具工程应用的潜力和优势。

复合载荷作用下H型垂直轴风力机叶片结构多目标优化

为改善气动力、离心力和重力等复合载荷作用下的H型垂直轴风力机叶片的结构性能,提出一种多目标优化方法。以质量和最大应力最小为目标,最大变形为约束建立优化模型。通过流固耦合(Fluid-Structure-Interaction,FSI)方法,实现叶片表面压力的实时准确提取,建立复合载荷作用下的叶片有限元模型;基于最优空间填充(Optimal Space-Filling,OSF)方法和Kriging模型建立各变量对应力、质量和变形的响应面模型,进行灵敏度和变化趋势分析;最后采用多目标遗传算法(Multi-Objective Genetic Algorithm,MOGA)获得各变量的最优解,并进行结果验证。结果表明,优化后叶片质量减少了14.7%,各方位角下的最大应力减幅最大为7.8%,最大变形减幅最大为16.7%。研究结果可为复合载荷作用下叶片的结构优化设计提供参考。

海上浮式兆瓦级垂直轴风力机风轮结构布局研究

针对兆瓦级海上浮式直叶片垂直轴风力机的风轮结构布局,提出采用基于响应面法的多目标结构优化设计方法对其风轮进行结构布局设计。通过分析风轮支撑臂在复杂环境和载荷作用条件下的力学性能,以准静态解为基础构建垂直轴风轮结构布局多目标优化参数化模型,采用Kriging响应面法求解设计变量与评价指标之间的响应面,明确设计变量的最优取值范围。以风轮整体质量最小化为优化目标,以风轮主要结构的最大等效应力和最大位移为约束条件,采用MOGA遗传算法对风轮结构布局尺寸进行优化设计,优化后风轮结构布局的最优样本方案在满足约束条件的同时,整体质量减轻6.8%,轮毂偏移量减少22.87%,塔筒高度降低33.78%,显著降低了垂直轴风力机整机的制造成本。同时,优化设计后风轮固有频率避开了风轮旋转的1倍转频(1P)和3倍转频(3P)范围,避免了结构共振。研究表明,基于响应面法的多目标优化设计方法在垂直轴风轮结构布局设计上是可靠的。

基于田口方法与CFD相结合的垂直轴风力机优化研究

为了进一步提升垂直轴风力机在低风速复杂城市风场中的捕能效率,采用CFD数值计算和田口试验相结合的方法,研究实度(σ)、桨距角(β)、阻尼(C_(d))和密度比(ρ^(*))对五叶片垂直轴风力机(VAWT)气动性能的影响。将风力机的转动控制方程与流场控制方程联合求解,在数值计算中考虑风力机与流体的相互作用。研究结果表明:实度、桨距角、阻尼和密度比的变化对垂直轴风力机的气动性能有重要影响,在最优的参数组合下,五叶片VAWT的捕能效率可以达到13.537%。此外,通过对田口试验结果的分析,得到所研究的4个特征参数对五叶片VAWT气动性能的影响程度依次为:σ>C_(d)>β>ρ^(*)。

垂直轴风机功率增强的翼型与阵列优化

针对H型垂直轴风机(Vertical Axis Wind Turbine,VAWT),通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟,将翼型设计与涡轮阵列相关联,对比分析多种翼型及不同阵列条件下VAWT的转矩系数C_(m)、功率系数C_(P)和平均功率参数Ω。结果表明:与对称翼型相比,非对称翼型在高叶尖速比下功率系数较小,弯度效应可显著增大翼型在下风区的功率系数;在风场阵列中,三涡轮阵列优化后下风区涡轮功率显著提升,单涡轮功率可提升40%,风场整体功率提升约20%;针对海上牧场结构平面提出五涡轮阵列,优化后风场整体效率提升65%,单涡轮性能提升可达100%。研究成果对于提高深远海网箱系统功能与设计具有推动意义。

变桨距垂直轴风力发电机设计与数值模拟

针对传统垂直轴风力发电机运行不稳定、容易失速等问题,设计一款300 W的变桨距垂直轴风力发电机,重点解决发电机的连接、传动和变桨距问题。叶片结构设计基于空气动力学理论,选用NACA0020型对称翼型,三叶片结构,H型分布。变桨距机构采用曲柄摇杆机构,通过伺服电机控制小齿轮旋转,实现叶片浆距角的变化。运用SOLIDWORKS Flow Simulation软件对风力发电机进行仿真分析,计算不同工况下的速度、压力以及分布力。仿真结果表明,所设计的风力发电机稳定性好,低风速启动性能好,为提高垂直轴风力发电机安全和效率,降低维护成本提供了参考。

垂直轴风力发电机力学性能研究综述

海上风电作为我国“十四五”规划的重要目标之一,垂直轴风力机(VAWT)在近海风场上有很大的优势。在目前众多学者的研究之中,为拉近VAWT与HAWT的差距,提升VAWT的性能,对VAWT的空气动力学研究很充分,但大型化VAWT的安全性和可靠性也成为备受关注的问题。本文从VAWT空气动力学和结构动力学两方面展开对VAWT力学性能研究的阐述,针对VAWT叶片结构动力学研究的不足提出了相应的观点。

雷诺数和侧风对S型垂直轴风力机气动特性的影响

相较于工作在郊外良好风场的大型风力机,小型风力机易受城市风环境如低风速、高湍流度以及时变风速风向的影响。采用数值模拟手段研究了雷诺数和来流倾角对小型S型垂直轴风力机气动性能的影响。研究结果表明:S型风力机的气动性能对雷诺数不敏感,功率系数几乎不随雷诺数变化;侧风导致S型风力机的气动性能变差,静扭矩系数和功率系数降低,并且随着侧风来流倾角的增大,气动性能越差,侧风影响的流动机理一方面是来流倾角降低了水平速度分量,另一个方面是竖直速度分量减小了前进叶片的压力差,增加回转叶片的压力差,进一步加剧了气动性能的恶化。

直线翼垂直轴风力机叶片支架对气动性能的影响

为了定性地评价叶片支架对直线翼垂直轴风力机气动性能影响,并得出更准确的计算结果,通过雷诺时均湍流模型(SST k-ω)对垂直轴风力机进行(computational fluid dynamics,CFD)仿真,研究叶片支架对风力机周围流场分布的影响规律,分析风力机在不同方位角下的功率输出性能。研究结果表明:支架使垂直轴风力机的气动性能下降,最大功率系数下降47.5%,主要原因是于大攻角下复杂流动分离现象受叶片支架的影响较大,支架的回转扰动使风轮内部气流的湍流强度增大;在叶片支架安装界面位置,支架使得叶片前缘压力差下降,尾缘的压力差升高;而在风力机叶片中间截面位置,无支架模型与有支架模型压差区别较小且变化趋势相同;随风力机下流域尾流延长,低风速区的面积逐渐扩散,其值先减小后增大;风速在下流域的2倍风轮直径位置处达到最小值,有支架模型比无支架模型产生的风速最小值更高,且有支架模型风速恢复相对较慢。

基于多岛遗传算法的垂直轴风机翼型优化设计

为了解决垂直轴风力机的风能利用率在实际应用中低于水平轴风力机的问题,通过以多岛遗传算法为核心与翼型参数化、ICEM网格生成以及计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)流场计算相结合,并以翼型的升阻比为优化目标,建立优化模型,进而开发自动优化评估流程,完成翼型的优化设计与气动性能分析。结果表明:相比初始翼型,优化翼型是非对称翼型,其最大相对厚度降低1%,升阻比提高17.78%,升力系数提高16.7%,为0.11c(c为翼型的弦长);其最大相对厚度对应在弦上的位置向翼型的前缘移动了0.036c。且翼型弯度明显增加,中弧线偏移量最大值为0.0174c。优化翼型的前缘半径变化不大,但翼型尾缘夹角明显变小,翼型上翼面轮廓线相对平缓。

翼型与弦长对直线翼垂直轴风力机起动性能影响的数值模拟

为了探究翼型与弦长对直线翼垂直轴风力机起动性能的影响,选择了NACA0018、NACA0026、S809以及S1046四种翼型,40mm、60mm和80mm三种叶片弦长进行研究,其中S809翼型采用正装和反装两种方式。对不同条件下风力机的静态力矩性能以及转速性能进行数值模拟研究。静态力矩性能研究表明,随着叶片弦长的增大,风力机平均静态力矩增大。通过对比不同翼型的结果发现:NACA0026翼型平均静态力矩系数最大且达到稳定时间最短,S809翼型起动性能最差且反装时平均静态力矩系数最小,SI046翼型稳定转速最高。转速性能研究表明,叶片弦长的增大会增大叶片的质量,进而增大转动惯量,使得风力机的起动性能降低。本研究将对直线翼垂直轴风力机的设计提供有益的参考。

几何参数对H型垂直轴风力机气动性能影响的研究

为了研究几何参数对H型垂直轴风力机(H-VAWT)空气动力学性能的影响,以最大限度的提高其风能利用率,采用NACA0015翼型作为H-VAWT的叶片,利用CFD数值模拟方法来预测H-VAWT在工作状态下的空气动力学特性,并通过与实验结果对比来验证CFD数值模拟结果的准确性与可信度。研究结果表明:叶片安装角度为-2°,叶片弦长在0.35m附近时,H-VAWT具有最优的空气动力学特性;H-VAWT在低转数运行下,3叶片且风力机半径为1.2m时,H-VAWT气动特性较好;H-VAWT在高转速运行下,2叶片且风力机半径为1.8m时,H-VAWT气动特性较好。此研究对H型垂直轴风力机叶片翼型气动外形优化设计提供参考依据,具有一定的工程应用价值。

Savonius型垂直轴风力机叶型优化设计

为探索叶型形状对Savonius型垂直轴风力机性能的影响,得到较优叶型以提高其风能利用率,以回旋式Savonius型垂直轴风力机的风轮主体为研究对象,提出了基于三角函数的垂直轴风力机叶型廓线表达方法,并根据该方法设计出两种新型垂直轴风力机叶型。采用CFD数值计算方法来计算优化叶型的功率系数,从功率系数、力矩系数、压力分布、速度分布和涡量分布这5个方面讨论优化叶型较初始叶型的优越性。结果表明:在来流风速为14 m/s的环境中,当叶尖速比为1.3时,风轮最大功率系数值为0.283,提升了约16%,并且在叶尖速比高达1.8时,仍然保持较高的功率系数。本研究对垂直轴风力机叶片选型提供参考依据,对于提高垂直轴风力机的功率特性具有一定的理论意义与工程应用价值。

基于BESO算法的大型海洋垂直轴风力机支撑结构优化

大型海洋垂直轴风力机的研究对发展海洋风能具有重要意义,研究大型垂直轴风力机的合理支撑结构形式对风力发电结构安全至关重要.基于变删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,对大型海洋垂直轴风力机进行支撑结构优化,并通过风力机的动力响应特性分析,验证结构优化方法的可靠性.结果表明:反比例型变删除率的BESO算法能有效改善优化迭代速率,适用于垂直轴风力机的支撑结构优化设计;相比于初始结构,拓扑出的新结构模型在风荷载作用下的风致动力响应显著降低.研究成果可用于垂直轴风力机支撑结构设计优化.

带有尾缘襟翼的兆瓦级大型垂直轴风力机气动性能优化

垂直轴风力机较低的风能利用率是限制其工程化应用的主要原因,为了提高其风能转化率、降低气动荷载,针对叶尖速比为2.65的中等值条件下带尾缘襟翼的大型垂直轴风力机提出了一种改进的气动性能优化模型,采用SST k-ω湍流模型进行数值模拟.研究结果表明:与原始模型相比,考虑桨距和襟翼协同运动下优化模型的功率系数可提高12.2%;此外,桨距和襟翼的协同运动可以显著减少作用在风力机整机上的推力和侧向力,与原始模型相比分别减少了12.4%和7.5%,推力和侧向力的波动幅值也要明显低于原始模型,这将有助于降低作用在风力机整机上的疲劳荷载.该模型有望在兆瓦级大型垂直轴风力机上得到应用.