S型叶尖小翼对风轮近尾迹声辐射影响的实验研究

采用5因素5水平的正交实验方法,找到在不同尖速比下均具有较好功率放大效果的S型叶尖小翼结构,对其影响近尾迹流动与声辐射的特征进行了测试。发现该小翼可以打散从风轮叶尖脱落的叶尖涡结构,在测试方位面内形成多个涡量集中区域,而且使叶尖涡内高涡量区域减小,降低叶尖涡的强度。同时,该小翼还可以使叶尖附近的压力脉动衰减,高压力脉动区域缩小,降低声辐射的强度,有效降低近尾迹中的声压级,靠近风轮附近测点的最大声压级降幅超过10dB,在1倍风轮直径下游位置的声压级降幅为2~7 dB.对S型叶尖小翼影响近尾迹流动和声辐射的研究,为提高风力机性能和降噪途径的探索积累了经验.     

具有叶尖小翼的压气机叶栅间隙流动分析

采用数值模拟方法对利用不同安装方式叶尖小翼控制压气机叶栅间隙流动进行研究。结果表明,不同安装方式叶尖小翼都可以有效降低叶顶泄漏流速,削弱泄漏涡强度。叶尖小翼改变了叶尖负荷及泄漏涡运行轨迹,进而影响了叶尖流场不同涡系之间的相互作用。吸力面小翼削弱了泄漏涡,抑制了通道涡的发展,使得叶栅总损失降低。压力面小翼及组合小翼削弱了泄漏涡,但增强了通道涡及其与泄漏涡之间的相互作用,叶栅总损失增加。     

小翼对风力机叶尖涡运动轨迹的影响研究

本文利用三维PIV测速技术,在B1/K2直流式低速风洞开口段,对小翼对风力机叶尖涡三维运动轨迹的影响展开研究。实验发现,S型小翼对叶尖涡的打散程度大于V型小翼。加装小翼后,使得叶尖涡运动轨迹螺距减小,同时叶尖涡的径向运动距离增加,向外迁移的程度增加。在额定工况下,小翼影响的因素包括风力机功率系数、叶尖涡运动轨迹形态、叶尖涡的强弱,其中小翼对叶尖涡运动轨迹向外迁移的程度和螺距的减小程度占主导因素,小翼对叶尖涡打散程度占次要因素。     

谱分析法测量叶尖小翼对风轮旋转时固有频率的影响

风力机叶尖加小翼,在一定范围内可以增加风力发电机的输出功率,提高功率系数.本文通过应用谱分析法测量风力机风轮旋转时机头的振动谱,通过分析得到了风轮动频,应用动频曲线研究了风力机叶尖小翼对风轮固有频率的影响.实验表明,叶尖小翼虽然降低了风轮静频但通过增大离心力和气动力提高了动频.叶尖小翼可以改善旋转风轮的结构动态特性.     

叶尖小翼对扩压叶栅气动特性影响的数值研究

通过在叶片顶端加装小翼来降低叶顶二次流的叶尖小翼技术在叶轮机械领域受到关注。本文对具有不同叶尖小翼方案的压气机叶栅进行了全三维数值模拟,并详细分析了叶尖小翼对叶顶间隙流场的影响.结果表明,合理选择叶尖小翼的安装位置及自身宽度可以在一定程度上降低叶顶泄漏损失,在叶顶吸力面侧加装宽度为5 mm的小翼可以较好的削弱泄漏流动的强度,减少泄漏涡卷吸起更多的吸力面/端壁角区的低能流体及较早地阻止上通道涡的形成和发展。     

风力机近尾迹叶尖区域气动噪声变化规律的试验研究

保证额定来流风速10 m/s不变,在不同尖速比条件下,利用声阵列法对S系列翼型风力机的叶尖区域噪声进行了测试.结果表明:风轮在旋转过程中,风力机叶尖辐射噪声频谱在200 Hz以下主要是由叶片旋转基频及其谐波构成的离散噪声叠加在宽频噪声上而组成的,而在200 Hz左右至600 Hz则是由叶片旋转产生的叶尖涡脱落频率以及风洞动力风扇的二次谐波构成的.随着尖速比的增加叶尖涡的脱落频率在增人,旋转基频声压级在叶片相对半径为0.57处的辐射噪声最大,且随着向叶尖移动,噪声逐渐减小。距离风轮旋转平面的轴向方向x=10~60 cm之间辐射噪声衰减较快,在x=60~100 cm之间衰减较慢.发现了叶尖涡的运动轨迹,叶尖涡是逐渐的向外迁移.     

水平轴风力机叶尖涡流动的PIV测试

在风洞开口实验段,针对不同尖速比应用PIV技术对风轮附近1/3圆周内的瞬时速度场进行测试。随着尖速比的增加,叶尖涡运动的径向位移增大,涡流诱导效应区域半径扩大,使整体尾迹半径增大;同时,尖速比增加使尾迹轴向速度亏损增大,叶尖涡运动的轴向位移减小。叶尖涡诱导效应与风轮旋转的相互作用使风轮附近形成强速度梯度区域,诱导效应延伸到风轮上游,激励叶片产生不同的振动形态,使叶片上脱落的叶尖涡结构在尾迹中出现波动,越向下游运动波动越强烈。通过叶尖涡核位置平均发现,在10°～120°方位角尾迹区域内,涡核运动轨迹与方位面交点的连线近似为直线,且该线的斜率随着尖速比的增加而增大。     

风力机尾迹速度场脉动特性的实验研究

利用高频PIV系统对风力机下游远至4.5倍风轮直径范围内的尾流数据进行了采集。首先通过脉动速度均方根云图分析,发现中心涡轨迹区域内粒子脉动轴向速度均方根大于叶尖涡轨迹区域,而叶尖涡轨迹区域内粒子脉动径向速度均方根大于中心涡区域;然后对比1、2、3、4倍风轮直径处所有径向位置的脉动合速度均方根,发现叶尖涡的耗散速度比中心涡要快,所以叶尖涡轨迹区域脉动合速度均方根比中心涡轨迹区域减小得快,同时发现了叶尖涡"交互跳跃"现象。     

水平轴风力机尾流扩散特性的数值研究

本文采用Fluent软件对半径0.7 m,翼型NACA4415的水平轴风力机的三维非定常尾迹流场进行了大涡模拟(LES)计算,计算结果表明:轴向速度分布相对于尾迹中心不对称,同一风速下,在靠近叶根圆周区域,距离风力机旋转平面2R处风力机轴向速度达到最小,由2R~3R区域逐渐过渡,然后增大最终恢复周围环境速度;而在靠近叶尖的圆周区域,在距风轮旋转平面1R处达到最小值,由1R~2R区域逐渐过渡,最终达到周围环境速度;中心涡对尾流影响的长度要大于叶尖涡对尾流长度的影响。尾流区不仅存在叶尖涡和中心涡,还存在叶片尾缘涡;低风速对尾流长度的影响要小于高风速。     

不同间隙下叶尖小翼对高亚声速扩压叶栅气动特性的影响研究

为了全面探究压力面小翼对于叶顶间隙流动的影响机理,通过数值模拟软件ANSYS CFX对高亚声速不同间隙下的常规叶栅和压力面侧具有不同叶尖小翼的扩压叶栅进行了数值计算.结果表明:在进口气流速度Ma=0.7时,与常规叶栅相比,T=1%h、τ=2%h及τ=3%h三种间隙高度下的不同宽度压力面小翼都可以削弱泄漏涡的强度,控制间隙流动,降低扩压叶栅的流动损失,最佳小翼方案随着间隙变化有所不同,当τ=3%h,压力面小翼展现了最明显的改善效果,在压力面小翼的宽度为常规叶栅叶顶宽度的1.5倍时,与同间隙下的常规叶栅相比,总压损失系数降低了9.2%.     

叶顶端翼提升主动襟翼叶型气动性能的数值研究

本文在振荡来流条件下,数值模拟叶顶端翼对加装主动Gurney襟翼的垂直轴风力机叶片非定常气动特性的影响。采用NACA0015翼型的直叶片,并在尾缘前6%弦长位置安装主动襟翼。在最大出力工况(折合频率为0.1)下,对比原型叶片,加装主动襟翼叶片的切向力系数提高了4.47%,安装有叶顶端翼的主动襟翼叶片的切向力系数提高21.18%。通过比较叶片端部涡结构分布,发现叶顶端翼不仅阻止了叶片压力面及吸力面的叶梢涡分支在尾缘处汇合,同时也隔断了主动襟翼产生的角涡与叶梢涡的融合,有效的降低了叶片端部损失,提升了风力机的整体性能。     

风力机叶尖加小翼动力放大特性实验研究

本文在风力机的叶尖上通过添加V型平板小翼实验,提高了风力机的输出功率.在风洞实验研究中,进行了不同长度和宽度,不同前张角和后张角小翼的探索.实验表明小翼对风力机在一定尖速比λ范围内可以提高功率系数cp值.     

风力机叶尖加小翼流场的试验研究

叶尖加小翼可以提高风力机的功率系数.本文在风洞开口试验段利用PIV技术,对旋转风力机叶尖加装V型小翼时叶片和小翼周围的流场进行了实验研究.比较加小翼和不加小翼时的流场图,发现加上小翼后,叶尖部分的流场得到了改善,小翼对风力机的主要影响范围是从截面r/R=0.86到1.04之间,约占主叶片长度的14%左右.     

轴流泵叶顶间隙空化流可视化实验研究

运用高速数码摄像系统对比转速为700的轴流泵在最优工况流量下不同空化程度时的叶顶间隙内空化流动进行拍摄实验,捕捉到空化发生位置和空泡团形态随空化程度变化的演变过程。实验结果表明:叶顶间隙内空化发生的初始位置位于叶顶翼型头部,空泡团为沿叶片工作面向背面旋转的旋涡空化,旋转轴和圆周方向基本一致;随着泵汽蚀余量的降低,空化发生位置和空泡团与叶顶翼型粘连的区域均呈由叶顶翼型头部向尾部延伸发展的趋势;当泵发生汽蚀时,空化发生位置覆盖整个叶顶翼型,间隙空泡团和叶片背面空泡团相掺混,对叶轮流道内液相主流产生强烈干扰,导致泵能量性能急剧下降。研究结果为轴流泵叶顶间隙内空化发生及发展过程的理论研究提供了有效参考。     

Vortex identification in the wake of a model wind turbine array

Vortex identification techniques are used to analyse the wake of a 4 × 3 array of model wind turbines. The Q-criterion, Δ-criterion, and λ₂-criterion are applied to particle image velocimetry data gathered fore and aft of the last row centerline turbine. The Q-criterion and λ₂-criterion provide a clear indication of regions where vortical activity exists, while the Δ-criterion is not successful. Galilean decomposition, Reynolds decomposition, vorticity, and swirling strength are used to further understand the location and behaviour of the vortices. The techniques identify and display the high-magnitude vortices in high-shear zones resulting from the blade tips. Using Galilean and Reynolds decomposition, swirling motions are shown encapsuling vortex regions in agreement with the identification criteria. The Galilean decompositions selected are 20% and 50% of a convective velocity of 7 m/s. As the vortices convect downstream, the strength of the vortices decreases in magnitude, particularly in the far wake of the array, to approximately 25% of those present in the near wake. A high level of vortex activity is visualised as a result of the top tip of the wind turbine blade -- the location where the highest vertical entrainment is present. Analysing the full frame set, the Q-criterion, λ₂-criterion, and swirling strength prove comparable, while the Δ-criterion under-performs in regions of high turbulence activity, namely in the back of the turbine. Entraining flow into the turbine canopy interacting with the turbine generates high-magnitude vortices concentrated at the blade tips. The count of vortices decreases when moving from the top tip down to the wall, as well as their strength for each Galilean technique when a non-zero threshold is applied. Vortex sizes in the near wake are found comparable to turbine blade, hub, and mast dimensions. In the far wake, the resulting size of the vortices is approximately 30% of those in the near wake. These vortices increase in velocity as they convect downstream, following the mean velocity behaviour. The lowest magnitude vortices reside at the hub height in the near-wake region, where they convect at nearly half the speed of those at the blade tips.     

涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究

为了研究涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性的影响,以氢气为燃料,空气为氧化剂,在不同当量比下开展了实验研究.基于高频压力传感器及静态压力传感器的信号,详细分析了带涡轮导向器的旋转爆轰燃烧室的工作模式以及涡轮导向器对非均匀不稳定爆轰产物的影响.实验结果表明:在当量比较低时,爆轰燃烧室以快速爆燃模式工作;逐渐增大当量比,爆轰燃烧室开始以不稳定旋转爆轰模式工作;继续增大当量比,爆轰燃烧室以稳定旋转爆轰模式工作,且旋转爆轰波的传播速度和稳定性均随当量比的增大逐渐提高.爆轰波下游的斜激波与涡轮导向器相互作用,涡轮导向器对压力振荡的幅值具有明显的抑制作用,但对压力振荡频率的影响较小.随着当量比的增大,涡轮导向器上下游的静压均同时增大,经过涡轮导向器的作用,涡轮下游静压明显降低.     

向心透平级叶轮内三维复杂流动的数值研究

对向心透平叶轮内部复杂流动在级环境下进行了全三维黏性数值模拟,结合拓扑学原理分析了设计工况和非设计工况下其内流动分离及各种涡系发展的演变过程,初步建立了向心透平叶轮内的旋涡模型,阐述了流动损失的形成机理。研究表明:向心透平叶轮内部涡系与轴流式透平存在较大差别,且流动分离及涡系主要集中在吸力面侧;设计工况下向心透平叶轮内的主要旋涡包括马蹄涡、通道涡及泄漏涡,其主要表现为通道涡与泄漏涡相互影响和掺混,是主要损失的形成原因;非设计工况下,主流在叶轮叶片前缘处发生大范围的分离及回流,造成了较大的能量损失,但二次流损失所占比例较小。     

压气机转子三维紊流流场

在低速大尺寸压气机试验台上，用单斜热丝、高频压力探针及由旋转四坐标全电动探针位移机构带动的五孔气动探针，测量了单级压气机转子出口和单转子压气机叶片通道尖区在不同流量状态下三维平均和亲流流场。设计状态，叶尖泄漏涡的发展及其与端壁附面层的交混决定了尖区的流动特性。小流量状态，叶片吸力面附面层增厚，近失速状态尖部吸力面附面层发生分离，吸力而附面层内径向潜移强烈，叶尖吸力面角区产生大范围强旋涡，角区部分低能流体移向叶尖通道中部，与端壁附面层、泄漏涡、刮削涡及主流发生交混．