叶顶间隙对低比转数小流量泵性能的影响

为建立叶顶间隙对低比转速小流量泵性能的影响关系,采用数值计算的方法,以叶顶间隙宽s和叶轮出口宽b的比值(s/b)表征间隙大小,对不同间隙下泵的性能展开对比分析。分析发现,随着间隙的增加,泵的扬程和效率均逐渐降低,最大和最小间隙下的扬程和效率差分别达15.4%,5.5%。当间隙较小即s/b<0.2时,扬程曲线在小流量工况会出现不稳定的“驼峰”现象,在s/b>0.3后,设计工况附近效率的降幅显著增大。从流动特性来看,随着叶顶间隙的增大,间隙泄漏流对叶轮内主流区影响加剧,会诱导严重的二次流和旋涡的产生,同时间隙内不稳定流动也会产生能量损失,造成扬程和效率下降。为低比转数小流量泵的设计与优化提供借鉴意义。

泡沫铜对密闭管道内合成气爆炸特性影响的实验研究

为研究泡沫铜孔隙密度和H2体积分数对合成气爆炸特性的影响,在封闭的管道中安装了孔隙密度为15、25和40 ppi的泡沫铜,实验分析了当量比为1的合成气-空气在不同H_(2)体积分数时的火焰结构、尖端速度和超压等参数变化规律。实验结果表明:火焰在泡沫铜上游的行为是受“郁金香”火焰形成过程的影响,泡沫铜对其没有影响。但是孔隙密度和H2体积分数的改变不仅会影响“郁金香”火焰的形成时间,还会影响变形“郁金香”火焰的形成。泡沫铜将火焰分割促使其从层流向湍流转化,对爆炸火焰传播起到加速作用。泡沫铜会引起管道内超压和火焰尖端速度的极大提升,且孔隙密度越小,H_(2)体积分数越大,火焰穿过泡沫铜后的最大火焰尖端速度越大,压力上升幅度越大,超压峰值越高。

对旋双风轮风力机载荷特性风洞实验研究

为阐明对旋双风轮风力机前后风轮之间的载荷影响规律,基于风洞实验,测量对旋双风轮风力机3个正交方向的力和力矩,研究前后风轮间距和叶尖速比对载荷特性的影响规律。研究发现:高叶尖速比时,单风轮偏航力矩存在明显波动,而对旋双风轮风力机偏航力矩减小,且波动减弱;对旋双风轮风力机间距的变化影响前后风轮所承受的载荷占比,后风轮载荷占比随间距的增大而减小,这是由前后风轮之间所产生复杂的流动及湍流结构所致;虽然前后风轮的推力Fx和倾覆力矩My随叶尖速比的增大均有一定减小,但前后风轮的倾覆力矩Mx和偏航力矩Mz的方向相反,表明对旋双风轮风力机的前后风轮具有一定抵消倾覆力矩和偏航力矩的作用。

基于VOF模型研究相邻叶片交错角对水车性能的影响

为了探究影响3叶片下击式水车性能的因素,利用流体体积(VOF)模型模拟明渠无压流动,基于SST k-ω湍流模型、PISO算法及滑移网格旋转模型对相邻叶片不同交错角度(0°、20°、40°、60°)的水车进行非定常模拟。计算结果表明:当相邻叶片交错角度为0°时,对应的水车高效区最为宽广且最优效率最高,叶轮前后区域压力基本呈对称分布;随着交错角度增加,前后压力分布差异逐渐变大。相同工况下,旋转一周水车转矩的平均值从小到大依次为60°、40°、20°、0°,但不稳定性也依次增大。此外,水车的效率随叶尖速比的增加呈现先增大后减小的趋势;转矩的波动幅度随叶尖速比的减小而降低。

双风轮风力机前后风轮功率特性相互影响分析

双风轮风力机相对于传统风力机能够吸收更多的风能转化成电能。通过对3种面积比(56%、64%、87%)的双风轮风力机开展风洞实验,研究前后风轮不同叶尖速比时,对双风轮风力机功率特性的影响。结果表明:面积比为64%双风轮风力机的后风轮随着叶尖速比的增大,对前风轮功率有促进作用,而56%和87%的双风轮的后风轮叶尖速比的增大对前风轮功率有抑制作用;3种面积比双风轮的前风轮叶尖速比的增大对后风轮的功率都有抑制作用。3种面积比的双风轮风力机的总功率均大于单风轮风力机,且面积比为64%的双风轮风力机功率提升最大。

基于激光自混合原理的涡轮叶片转速与叶尖间隙动态同步测量方法

针对在高温等恶劣环境下,航空发动机高转速下涡轮叶尖间隙测量稳定性差、易受干扰、精准度低等问题,提出一种基于激光自混合原理的涡轮叶片转速与叶尖间隙动态同步测量方法。首先,提出基于三镜F-P腔模型的自混合干涉模型,并以此为基础构建测速和测距的数学模型;其次着重研究了涡轮叶片转动下动态自混合干涉信号的处理,将采集到的信号依次经过带通滤波以及小波降噪处理,再用FFT进行处理得到频率,由此求得叶尖间隙值;之后分别进行静态和动态激光自混合干涉测距实验进行验证;最后探讨影响动态测量的误差源,并对测量系统以及算法进行优化补偿。实验结果证明,该方法可以有效地提高涡轮叶片转速与叶尖间隙的同步测量的稳定性及精度,测速相对误差为1%,叶尖间隙测量误差为23μm。

潮流能水平轴水轮机流场分析

用OpenFOAM开源软件对水平轴水轮机进行数值模拟,以推力T作为体积力附加源项均匀加载到制动盘模型(AD),进行求解计算。在尖端速度比(TSR)为5.5的条件下,对自由区、单台水轮机、水轮机阵列3种情况下的流场进行分析。结果显示:在来流上游时,三者流速曲线吻合,流速增长趋势一致。水流在AD前端时,AD会对其有阻力作用,导致流速大幅下降。在尾流处,在水轮机阵列上游中,并列两侧水轮机尾流与下游水轮机流场发生动能交换,使其尾流恢复速度大于单台水轮机尾流速度。然而,无论是单台水轮机还是水轮机阵列,它们轴线方向上的中部尾流恢复严重不足,这是由于尾流的干涉使得下游水轮机的来流速度不断减小,其可吸收转化的能量也减少,速度随之减小,尾流也无法恢复。

伸缩式斜柱对垂直轴风力机气动性能影响研究

为改善垂直轴风力机动态失速特性,提出一种可随风力机方位角变化而自动伸缩的斜柱结构翼型。以NACA0021翼型为研究对象,采用数值模拟方法,分析其对垂直轴风力机动态气动性能的影响。结果表明:伸缩式斜柱在作用方位角内可显著抑制流动分离并提高垂直轴风力机转矩,最大风能利用系数较原始翼型提高13.6%;同时,伸缩式斜柱可使最佳工况点向低尖速比偏移,提高整机运行过程中的稳定性。

不同涡脱落模式下垂直轴风力机叶片的气动响应

为研究尾流中不同涡脱落模式下垂直轴风力机(vertical-axis wind turbine,VAWT)叶片的气动响应,基于攻角变化相似性,进行了叶片正弦俯仰振动的比拟实验。研究发现:在弦长雷诺数O(10^(5))范围内,尾流存在3种涡型结构:前缘离散涡(leading-edge vortex,LEV)、蜿蜒尾流(undulating wake,UW)和反卡门涡街(reverse von Kármán vortex street,Rv KVS);随着叶尖速比λ增大,VAWT叶片缩减频率k增大,攻角幅值α _(m)减小;叶轮叶片几何尺度比R/c较小时,在低λ产生LEV涡型的可能性较小,在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较大;R/c较大时,在低λ产生LEV涡型的可能性较大,在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较小。LEV涡型导致轻动态失速,造成VAWT叶片发生高频俯仰振动,但对叶轮转矩和VAWT功率影响不大。Rv KVS涡型的出现,伴随叶片升力和转矩幅值增大以及平均推力的产生,会使VAWT叶片扭矩载荷增大,也会使叶轮转矩和输出功率提升。据此提出基于VAWT的新式风墙构型,在继承Nes浮式风墙构型优点的基础上,进一步提升了功率系数和风能输出密度。

基于正交试验凹槽-襟翼垂直轴风力机数值研究

为改善垂直轴风力机气动特性,对凹槽-襟翼开展研究。以NACA0021翼型为研究对象,采用正交试验设计对格尼襟翼高度、格尼襟翼位置及凹槽直径等参数进行组合,通过数值计算对垂直轴风力机气动性能与流场结构进行研究,分析凹槽-襟翼流动控制机理及对垂直轴风力机的作用效果。结果表明:格尼襟翼高度是影响垂直轴气动性能的主要因素,且襟翼高度为1.75%c、位置为1.50c及凹槽直径为1.50%c时效果最佳;同时,凹槽-襟翼通过改变尾缘库塔条件以加速翼型吸力面流体流动,从而改善流动分离,增加翼型表面压差,提高垂直轴风力机气动性能;凹槽-襟翼在低尖速比时对垂直轴风力机作用效果较明显,当尖速比为2.33时,凹槽-襟翼垂直轴风力机平均风能利用系数较原始翼型最大可提高35.82%。

垂直轴风力机气动特性与涡脱落模态分析

垂直轴风力机运行过程中,叶片上下表面边界层与剪切层的相互作用使风力机下游尾迹形成周期性涡结构,这种尾迹涡结构对风力机空气动力学特性具有重要影响。基于此,该文采用计算流体力学方法对不同工况下垂直轴风力机尾迹涡结构展开研究,利用快速傅里叶变换与相空间轨迹分析不同尖速比下风力机叶片涡脱落现象和尾迹涡结构,并通过分形维数研究转矩与尾迹流场速度变化。结果表明:风力机尾迹涡结构随尖速比变化呈现不同特征,当尖速比为3.6时,风力机尾迹两侧呈规则性反向脱落涡模态;低尖速比垂直轴风力机尾迹具有明显的混沌特性,且随尖速比的增加混沌特性逐渐减弱;随着尖速比的增加,风力机转矩与下游速度分形维数不断降低,且当尖速比为3.6时,风力机下游速度分形维数仅为1.07。

一种新颖的模糊自耦合PI在风力机MPPT控制中的应用

针对风速随机性给风能转换系统(wind energy conversion system,WECS)带来的非线性和参数不确定性,提出了一种模糊自耦合PI控制方案用于低风速的最大功率点跟踪。自耦合PI被用来完成基本的转速跟踪,以实现对风力机尖速比的最优化控制。而模糊控制器则被用来获取自耦合PI在不同工作点下的控制参数,以提高系统对风速变化的适应能力。为了验证所提方案的可行性,在Matlab/Simulink搭建的2 MW风能转换系统仿真模型中开展了与传统方法的对比实验。仿真结果表明,相比于传统PI、模糊PI以及GA-PI,所提出方法拥有更佳的转速跟踪性能、更平滑的响应曲线以及更多的电能输出。

剪切流下潮流能水平轴水轮机的水动力分析

为研究剪切流下潮流能水平轴水轮机的水动力问题,本文采用叶素动量理论与动态入流模型相结合的方法,考虑相对入流速度的时域变化,计算了不同剪切率下水轮机的各水动力系数,探究了剪切率对潮流能水平轴水轮机的水动力载荷特性的影响规律。经验证,数值模型与CFD模拟结果吻合良好。结果表明:一定范围内,同一速比下,剪切率对时均轴向力系数的影响不明显,对时均功率系数的影响大约以最优速比为分界,高速比时剪切率越大,功率系数越大,低速比时关系不明显;水动力系数的波动周期与叶轮旋转周期存在倍数关系;水动力系数的幅值与剪切率呈近似线性关系。本文可为剪切流下潮流能水平轴水轮机的载荷分析、设计优化提供有效的预报。

基于ABAUQS仿真的涂层刀具切削奥氏体不锈钢刀具破损机理研究

利用ABAQUS软件对切削过程进行仿真,探究了涂层刀具切削奥氏体不锈钢时刀具的磨损机理,并结合实际切削试验进行对比。仿真结果表明,切削过程中刀尖附近所受应力最大,且随着切削速度的增加,刀尖处应力值急剧增大,这与实际切削过程中刀具破损形态是刀尖破损相吻合;同时,随着切削速度的增加,刀具出现刀尖破损的时间缩短,这也间接验证了仿真中刀尖应力值与切削速度呈正相关。上述结论验证了利用ABAUQS软件对涂层刀具切削奥氏体不锈钢过程进行仿真是合理可行的。

变轨距轮对中轴套式花键副接触特性及修形研究

针对速度400 km/h的1435/1520 mm变轨距转向架轮轴结构中的轴套式花键副接触问题,文章基于ABAQUS软件研究了其在不同轨距和不同不对中角度下的接触压力分布情况,研究了鼓形修形与齿顶倒圆对花键副齿面接触压力分布的影响。计算结果表明,花键副齿面最大接触压力随着不对中角度的增大而增大,并且宽轨时的接触压力比运行于标准轨时大;当存在角向不对中时,鼓形修形使得花键最大接触压力显著减小,随着修鼓量的增大,花键对角向不对中的补偿能力越强;修鼓后的轴套式花键副存在一个不对中角度区间使得运行于宽轨时的花键副最大接触压力比运行于标准轨时小,而且角度区间随着修鼓量的增大而增大;鼓形轴套式花键副经齿顶倒圆后,齿廓方向的边缘效应有所改善,使得最大接触压力进一步降低。

基于MATLAB 2MW双馈风力发电机仿真研究

分析双馈风力发电机运行特性,采用最佳叶尖速比可实现最大功率跟踪;在MATLAB/Simulink实现双馈风力发电机建模及仿真分析,得到双馈风力发电机运行时的电流、电压、有功功率、转速、无功功率等参数输出波形。结果表明:采用最佳叶尖速比时双馈风力发电机在外界变风速环境影响下,可以捕获到最大风能且过程稳定响应快。

可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的影响

可控转速机匣是一种新型的机匣处理方法,将机匣设计为可转动环段与固定环段两个部分,可转动环段会对转子叶顶区域的气流施加周向附加作用力并改变叶顶区域的周向压力梯度,进而对压气机级的稳定工作裕度产生影响。针对可转动环段在不同转动方向下的数值研究结果表明:当可控转速机匣与转子转动方向相反时,叶顶区域周向压力梯度的增大,加剧了转子的叶顶泄漏程度,泄漏涡及其破碎后气流的流动轨迹向相邻叶片压力面偏移,导致静子进口冲角逐渐减小至负冲角,压气机级失速提前。而当可控转速机匣与转子转动方向相同时,叶顶区域的周向压力梯度减少,降低了叶顶泄漏流动的原始驱动力,同时转子叶顶区域的泄漏涡及破碎后气流的流动轨迹远离相邻叶片压力面,通流能力增强。但静子进口冲角的增加使得静子吸力面分离加剧,限制了其扩稳能力的进一步提高,压气机级的稳定工作裕度最大可提升45.44%。

超高速下单粒金刚石与岩石相互作用响应的研究

随着钻进深度的加深,破碎硬岩地层愈发困难,提高转速成为硬岩地层快速有效破碎的可行方法之一。孕镶金刚石钻头在硬岩层中具有较好的应用效果,常规转速下孕镶钻头与岩石之间相互作用机理较为完善,超高转速下也有相应的应用和研究基础,但碎岩机理尚未完全清晰。为探究常规速度至超高速下单粒金刚石对岩石的切削力和硬岩的破碎变化情况,以孕镶钻头和岩石相互作用界面响应模型为基础,利用ABAQUS软件建立单粒金刚石切削岩石的二维模型,并提出一种近似分析方法,并进一步推导单粒金刚石受力表达式。结果表明:(1)单粒金刚石对岩石的切削作用主要集中在切削具与岩石接触界面的中上部,高速下比常规切削速度下单粒金刚石受切削力减小,且主要作用部位受到切削速度改变的影响。(2)金刚石颗粒作用岩石中存在塑性破坏和脆性破坏且两种破坏模式交替产生,超高速下岩石产生脆性破坏的比例相比于常规切削速度有所增加,且超高速下切削力波动范围更小,岩石破碎所需的能量更少。(3)提出一种孕镶金刚石钻头碎岩响应近似分析方法,将产生碎岩作用的金刚石颗粒等价为具有“刀尖”和“前、后刀面”的切削具进行分析,推导得到单粒金刚石受力表达式,其受力与切削速度、切削深度等因素有关。研究结果可以为提高转速切削硬岩地层的进一步研究及应用提供依据和参考。

风力发电最大风能追踪综述

基于风能的充分利用,从分析风力机运行特性出发,针对变速恒频风力发电系统的特点,综述了捕获最大风能的方法,如叶尖速比控制、功率信号反馈、爬山搜索法、最大功率小信号扰动法、三点比较法。考虑到实际应用中风速变化及测量困难,为避免直接检测风速,提出一种新的最大风能追踪方法。详细讨论了已有方法的优劣。分析与研究表明,新的最大风能追踪方法简单、实用、可行。

垂直轴风力机动态特性及气动性能

垂直轴风力机流场属典型的非定常大分离流动,因其气动性能复杂,采用工程气动模型会有较大误差.为了研究垂直轴风力机动态失速与翼型附着涡的形成与发展,针对4种不同厚度的NACA对称翼型系列,基于Fluent软件的滑移网格技术,并选用S-A湍流模型和基于压力的Simple算法对H型垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,得到了风轮旋转中动态失速相位角范围,较好地解释了小叶尖速比下翼型多处于动态失速区的流动机理.同时,提出了升阻系数计算方法,计算得到了该4种翼型系列的叶片扭转力矩、风力机功率和风能利用系数随叶尖速比变化规律.研究结果表明,风力机运行中翼型的动态与静态特性存在较大差别,翼型厚度对风力机扭转力矩、功率和风能利用率具有较大影响.故在进行垂直轴风力机设计时应综合考虑垂直轴风力机的翼型厚度等几何参数与旋转等动态参数对其气动特性的影响.