Criterion of aerodynamic performance of large-scale offshore horizontal axis wind turbines

With the background of offshore wind energy projects, this paper studies aerodynamic performance and geometric characteristics of large capacity wind turbine rotors （1 to 10 MW）, and the main characteristic parameters such as the rated wind speed, blade tip speed, and rotor solidity. We show that the essential criterion of a high- performance wind turbine is a highest possible annual usable energy pattern factor and a smallest possible dimension, capturing the maximum wind energy and producing the maximum annual power. The influence of the above-mentioned three parameters on the pattern factor and rotor geometry of wind turbine operated in China＇s offshore meteoro- logical environment is investigated. The variation patterns of aerodynamic and geometric parameters are obtained, analyzed, and compared with each other. The present method for aerodynamic analysis and its results can form a basis for evaluating aerodynamic performance of large-scale offshore wind turbine rotors.

大跨度公铁双层斜拉桥主梁涡激共振机理与控制

以拟建的某主跨808 m公铁双层斜拉桥为工程依托,采用节段模型风洞试验研究不同攻角下双层桁架梁断面的涡振性能及5种气动控制措施的抑振效果,结合计算流体动力学(CFD)静态绕流模拟,对比分析双层桁架梁断面的涡振机理及控制方法.研究表明:主梁断面原设计方案在+3°和0°风攻角下存在明显的竖向和扭转涡振现象,且振幅超过规范允许值;间隔封闭上层桥面栏杆或增设抑流板可有效抑制主梁扭转涡振,但竖向涡振振幅仍不满足规范要求;上弦杆外侧增设风嘴可有效抑制主梁竖向和扭转涡振,而下弦杆外侧增设风嘴对主梁涡振抑振效果有限.气流经主梁原设计断面上层桥面分离后,在其上下表面形成周期性脱落的大尺度旋涡,并在上层桥面后部再附,这是主梁发生竖向涡振的主要诱因;上弦杆外侧增设风嘴可引导气流平稳通过上层桥面,消除了周期性的旋涡脱落,并在其上表面形成一段狭长“回流区”,从而有效抑制了涡振的发生.

电推进涵道风扇气动快速求解方法及性能分析研究

随着绿色航空发展,为了能在设计阶段快速获得涵道风扇气动性能参数和非定常流场特征,有必要开发一种高效的数值求解方法。基于小型电推进风扇内流弱可压和尾迹耗散特性,本文将转子和涵道的面元与尾迹涡粒子耦合,使用面元法求解固壁流场,使用涡量输运方程求解远场尾迹传播特征,克服了有限体积法尾迹耗散快的问题。研究表明,本文发展的面元-涡粒子耦合方法对涵道风扇叶表压力与有限体积法趋势一致,整体推力误差为7.83%,能满足工程快速预测需求。本文发展的高效非定常计算方法的尾迹计算数值耗散低,能揭示更为复杂的非定常流动现象,仿真结果显示风扇涵道对尾迹发展有明显约束,而当尾迹传播至外部时,涡量呈现出明显的收缩和对称分布特征。在计算效率方面,本文发展的耦合方法非定常计算效率高,计算相同非定常时间步耗时仅为有限体积法的1/6,具有潜在的涵道动力非定常设计应用价值。

振动能量回收减速带建模与动力学特性研究

为了开发应用振动能量回收减速带,分析振动能量回收减速带参数与汽车悬架参数的耦合特性机理。首先分析了液压式振动能量回收减速带的工作原理;其次,研究了减速带的动态模型激励函数,并建立二自由度车辆—换能器模型,并从换能器的作用机理入手,通过复模态理论分析车辆—换能器的振动模型动力学特性;最后,依据振动能量回收减速带与汽车悬架系统的耦合动力学模型,对采用不同参数的振动能量回收减速带对汽车运动特性的影响进行了分析;并从回收能量潜能大小的角度分析了汽车悬架参数对振动能量回收减速带运动特性的影响。为振动能量回收减速带的设计提供了理论参考。

基于气动力修正模型的水面飞行器气动特性研究

【目的】在水池试验中常采用实机的缩比模型来进行水面飞行器的气动性能研究,通过对水池试验中缩比模型由于雷诺数不相似而导致试验数据中气动升力系数偏小的问题进行研究,以达到准确模拟水面飞行器近水面飞行时的实际气动状态。【方法】针对某大型水陆两栖飞机模型,在不改变机翼和平尾的面积及机翼的平均气动弦长的前提下,增加机翼的襟翼和平尾的升降舵面积,通过仿真和试验对修正前、后的模型进行研究。【结果】仿真结果显示:修正前、后的模型在不同速度和俯仰角的条件下,气动升力系数的差异在15%左右;试验结果显示:修正后模型的升力系数在不同速度、俯仰角、升降舵舵偏的条件下与实机的风洞数据升力系数变化趋势相同,最大误差在8%,最小误差小于1%。【结论】仿真结果表明,修正后的缩比模型可以有效提升模型的气动升力;试验结果表明,修正后的缩比模型可以较为准确地反映实机的气动力性能,为优化水面飞行器的结构布局,研究水面飞行器的气动特性奠定了基础。

发动机前端附件带传动系统动态特性研究

考虑各附件轮时变负载、时变激励、多楔带纵向刚度、径向刚度和弯曲刚度的作用,利用Simdrive软件建立了内层和外层发动机前端附件带传动系统动力学分析模型;对系统的静态特性进行评估,采用Galerkin法进行系统空间离散,利用隐式多步法求解加速工况下系统的动态特性,得出附件轮转速波动、张力波动、带-轮间滑移特性的影响因素;根据分析结果,提出了适当增加初始张力、曲轴轮包角和惰轮2处添加自动张紧器的改进方案。对比分析得知,添加自动张紧器时,发动机前端附件带传动系统的动态特性得到了有效改善。

跨流域高速飞行器气动设计研究现状及思考

针对跨流域空气动力学理论的不完善、多物理非平衡效应耦合的跨流域流场高精度预示模型缺乏、大空域和宽速域流动控制难度大等问题,本文从气动布局、气动预示和气动优化三个方面对跨流域高速飞行器气动设计的研究现状进行了回顾,对气动设计中涉及到的难点和关键问题进行了思考,并提出了相关发展建议。

横风下高速列车在隧道洞口交会非定常气动效应

针对横风下高速列车在洞口交会时的非定常气动问题,考虑流场的三维、可压缩、湍流特性,建立隧道-列车三维空气动力学模型,利用滑移网格技术模拟列车交会过程,采用SSTκ-ω湍流模型对列车交会全过程进行求解,研究横风对隧道内瞬变压力、列车风及流场分布特性的影响规律.研究结果表明:横风下列车交会时,洞口处气动压力系数变化幅值显著增大,交会完成时,列车之间压力系数峰-峰值较无横风情形增大30.6%;列车交会开始和完成时气动压力均发生突变,隧道中部附近气动压力峰值最大;横风下列车交会气动压力大小与空间位置有关,交会时列车间气动压力变化幅值分别是列车迎、背风侧压力变化幅值的2.2和1.5倍;横风对洞口附近列车风影响显著,横风时迎风侧列车风峰值最大,无横风时背风侧列车风峰值最大,且前者是后者的2.04倍;隧道内气动效应受横风影响范围有限,当横风为30 m/s、车速为350 km/h时,隧道内气动效应受影响范围为120 m;横风下交会开始与完成时,流场分布急剧变化,导致气动压力与列车风发生突变.

现役小口径炮弹引信大着角碰靶发火机构响应特性研究

针对现役小口径炮弹引信大着角碰靶发火率偏低、未爆弹存在隐患的可靠性与安全性问题,开展现役小口径炮弹引信大着角碰靶发火机构响应特性研究.建立了大着角碰靶发火机构的动力学模型,得到了发火机构作用的简易判据,基于有限元数值模拟方法,模拟了不同着速、着角、滚转角度及靶板厚度多工况下大着角碰靶发火机构的动态响应过程,数值模型有效性通过实弹试验对比验证.分析结果表明,着发球珠随机滚转角度为大着角碰靶时影响发火机构功能可靠的重要因素之一;随滚转角度增大,发火击针感受到轴向合力的幅值越小、时间越滞后,不利于大着角碰靶发火机构可靠作用;同时研究发现随着角、靶板厚度的增加,出现了导套“卡住”发火击针的故障模式.

考虑同步机制的双馈风电系统小扰动建模与稳定性分析

对比分析了锁相环同步机制和虚拟同步发电机同步机制下的双馈风电系统小扰动稳定性及动态特性.针对2种同步机制下的双馈风电系统,基于数学方程分别得出相应的小扰动模型,进而利用特征值分析法对系统小扰动稳定性进行研究.在StarSim硬件在环(StarSim-HIL)半实物仿真平台上搭建相关模型,通过仿真对2种同步机制下的双馈风电系统有功支撑等动态特性及小扰动稳定性进行了分析与验证.对2种同步机制的适用性进行总结,指出锁相环型控制虽然动态特性好、响应速度快,但是在弱电网下的小扰动稳定性及有功支撑等方面,虚拟同步发电机控制更有优势.

多翼离心风机双圆弧叶片设计及其性能优势分析

在限定直径下对某吸油烟机用多翼离心风机的单圆弧叶片进行双圆弧改型,研究了加、减速2种双圆弧叶型对风机性能的影响,并对单双圆弧叶型各自的性能优势展开对比分析.通过计算流体力学数值预测不同叶型方案的整机风压及效率,确定单圆弧叶片进口安装角的最佳取值区间应在最小冲击损失设计的基础上预设20.0°~30.0°冲角,而综合风机压力和效率,单圆弧叶片出口安装角的最佳取值为165.0°~173.0°.对于进口安装角匹配不佳的单圆弧叶片,采用减速型双圆弧叶片可同时提高风机压力和效率;但对于已经优选过的单圆弧叶型,则反而需向加速型双圆弧改型,风机压力小幅度提高但效率稍有降低.对比同叶片进出口角的单圆弧叶片,加速型双圆弧叶片做功重心前移的同时,吸力面二次分离得到抑制;其叶道更难被蜗舌回流贯穿,有利于风机小流量工况下的气动性能.

我国行业碳排放动态特征及流动结构研究

本文基于我国2012年、2017年、2018年和2020年的投入产出表和能源消费数据,分析了45个行业各年份的直接和完全碳排放动态特征,并运用复杂网络理论,刻画了碳排放经投入产出关系在行业间的流动结构,识别了碳排放流动的主要路径。主要结论如下:从最终产品生产角度看,建筑业和其他服务业一直是完全碳排放量前两大行业,排放占比超50%,应作为我国消费侧碳减排的重点领域。最新一期结果显示45个行业中有5个全过程高碳行业、4个表观型高碳行业、14个传导型高碳行业以及22个低碳行业。碳排放流动网络呈现“全连接”特征,电力、热力生产和供应业以及石油、煤炭及其他燃料加工业等是经济生产拉动碳流动的主要来源,同时在跨行业协同减碳时,需关注包括化学原料和化学制品制造业至橡胶和塑料制品业等17条碳流动路径。

转轴动力学特性对离心泵压力脉动的影响分析

对于电动泵的研究而言,离心泵、转轴和电机应视为一个完整的系统来分析。若忽略了设备间的相互影响,单独对系统中的某一设备进行分析计算将可能无法通过仿真模型计算得到实验过程中出现的所有频率成分。本文建立了包括电机、转轴和泵在内的多场耦合仿真模型,用于分析轴在扭转方向的动力学特性对泵运行状态的影响。首先,建立了电机与水泵的仿真模型,并用转轴将其联系起来,实现系统的耦合仿真模拟;然后,计算了电机、转轴和水泵在相互作用影响下的转速波动情况和泵出口的压力脉动情况。结果表明,系统中不同设备间的转矩和转速是相互联系的;转轴同时连接着电机与水泵,其扭振特性也会在水泵瞬时转速的频率成分中体现;水泵运行转速的波动会进一步影响其壁面压力脉动的特性,最终可能导致在泵壳的振动信号中出现与水泵自身无关的频率成分。

航空声学风洞的声学设计研究

随着航空运输业的发展,飞机的噪声问题日益引起人们的关注。开展航空声学试验研究的地面试验设备主要是航空声学风洞。笔者阐述了航空声学风洞声学设计的基本要求、应考虑的主要问题,提出了航空声学风洞声学设计的方法等。并将这些研究成果应用于引导风洞研制中,得到了在开口试验段风速80m/s时,气流外2m测点处背景噪声76.5dB(A)的结果。

可变形飞行器机翼两种变后掠方式及其气动特性机理

为了探索可变形飞行器机翼以不同方式变后掠时的气动特性差异及其物理机理,对旋转变后掠和剪切变后掠翼身组合体进行了宽广速域的绕流流场数值模拟,并对其气动特性与机理进行了分析。计算中,采用粘性可压缩流动的数值模拟方法和三棱柱-四面体的非结构-结构混合网格。结果表明:剪切变后掠具有优于旋转变后掠的特性,前者在宽广的速域内均具有显著优越的升阻比和阻力,主要原因在于不同变后掠方式所引起的流场结构的显著差异。

静叶片时序效应对压气机叶片非定常气动负荷的影响

采用数值方法对两级低速压气机中径处的流场进行非定常模拟。研究第二排静叶在两个典型周向位置上的叶片气动负荷,分析各列叶栅气动负荷的非定常波动以及静叶时序效应对叶栅气动负荷的影响。对各列叶栅的非定常气动力和气动力矩进行频谱分析,探讨叶列间的非定常气动干扰。结果表明,时序效应对静叶片气动负荷的影响明显高于动叶片的。时序效应能够提高压气机的性能与叶片寿命.

科其喀尔冰川表碛区空气动力学粗糙度分析

基于冰川表碛上的空气动力学粗糙度z0是表征表碛上空气动力学性质和估算其上能量平衡中的重要参数,利用科其喀尔冰川3号观测站涡动相关系统的2009年观测数据,采用无因次化风速法,对其表碛上冰川消融前期和消融期的z0进行了分析。结果表明,在冰川消融前期z0为0.101 m,消融期z0值在0.093~0.098 m之间,表明积雪对z0的影响显著;大气处于不稳定层结时,z0值较大,处于稳定层结时,z0值较小;风速不变时,z0随摩擦速度的增大而增大;摩擦速度不变时,z0随风速的增大而减小。

旋成体非对称涡Re数效应的分区性态研究

本文利用长细比为3．0的尖拱形头部，其后为圆柱段，整体长细比为6．0的旋成体模型在北京航空航天大学流体力学研究所D4低速风洞和西北工业大学翼型、叶栅重点实验室NF-3风洞中进行了大攻角非对称涡绕流的胁D数效应及其分区性态的实验研究，其胁。数变化范围是0．6×10^5-13．3×10^5。文内首先研究和详细讨论了不同胁。数下非对称涡性态的分区特性；其次，为了研究湍流分离下过临界非对称涡流动的性态及其忍。数效应，本文发展了利用粘贴转捩带或转捩丝的人工转捩实验技术；在此基础上详细研究了过临界胁。数下非对称涡流动的性态包括流动的确定性、头部扰动周向位置变化引起非对称涡的演化规律以及过临界区的胁数影响规律。

导叶式升力型垂直轴风力机的数值研究

分析传统H型Darrieus风力机整体气动特性低的原因,从改善风力机极小攻角处极差气动特性出发,提出一种在极小攻角处添加导叶的导叶式升力型垂直轴风力机。采用非定常RNG湍流模型和滑移网格技术,对导叶式升力型垂直轴风力机的空气动力场进行二维数值模拟。比较分析0°方位角导叶对叶轮流场、叶片表面压差系数及叶片力矩的影响。研究结果表明,导叶改善了叶片表面负压差区,使叶片表面压差系数提高了56.2%,叶轮转矩增加了25.4%,有效地提高了风力机整体气动性能。

氢气/空气当量比对微燃烧器燃烧特性的影响

以美国麻省理工学院(MIT)研制的硅基六晶片微燃烧器为研究对象,采用考虑了基元反应动力学机理燃烧程序的二维计算流体动力学(CFD)数值分析方法,研究了在微尺度燃烧器入口处混合气体流量不变的情况下,改变氢气/空气当量比对微尺度燃烧器燃烧特性的影响。整个模拟计算主要包括混合气体的流动路径、微燃烧器的内部区域以及整个燃烧器的墙壁面;计算过程中考虑了氢气/空气的流体动力学特性、传热学特性和详细的基元反应机理。计算结果显示,当氢气/空气当量比为0.4时,燃烧器发生熄火;当量比为0.5、0.6时,燃烧器内部能维持稳定燃烧;当量比为0.7时,燃烧器的微细通道内出现回燃现象。结果表明,利用二维CFD数值模拟的方法研究微尺度燃烧器燃烧特性是可行的。