空冷岛扁平管外翅片空间的大涡模拟研究

本文基于计算流体力学软件FLUENT采用大涡模拟方法(LES)及Smagorinsky-lilly亚格子模型,对空冷岛扁平管外翅片空间的流动与换热特性进行了三维瞬态湍流数值模拟。计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟空冷岛扁平管外翅片空间的瞬态流动特性,能够捕获更多的流场细节信息。可得出流场中温度、压力、涡量等各参数的瞬态变化特性以及翅片空间尾流区瞬态三维涡的发展演化过程,更好地预测多尺度湍流。为进一步揭示扁平管温度场和流场的协同关系以及大型空冷系统多尺度输运规律和非线性尺度效应机理打下基础。     

尾流的双尺度简化模型及其大涡模拟建模

叶轮机中存在着复杂的湍流流动结构,如何准确地模拟湍流流动一直是工程界关注的核心问题。由于湍流在大部分区域都处于强非均衡态,根据均衡能量传输假设建立起来的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型都不再适用。非均衡湍流的一个经典的模型流动是尾流,但通常意义上的尾流往往是无数不同尺度相互作用的结果,难以进行简化分析。本文构造了一个极度简化的双尺度尾流模型进行了直接数值模拟(DNS),结果显示在转捩前期就存在反向的非均衡能量传输。分别采用各种传统的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型进行了数值模拟,发现各种模型都无法准确预测尾流转捩。在考虑非均衡能量传输机制后,通过流向速度梯度扭率构造的理性亚格子应力模型可以使大涡模拟模拟的转捩位置相对于标准Smagorinsky模型有所改善;不采用涡粘假设的改进速度增量(IVI)模型可以得到更加接近DNS的结果。这些结果为湍流模型进一步的改进提供了思路。     

不同亚格子模式在后台阶湍流流动大涡模拟中的应用

本文用大涡模拟方法研究了湍流后台阶流场中的大涡演变过程,并在此基础上研究了目前大涡模拟中比较常用的六种亚格子模式。在相同的流动几何参数以及计算条件下,给出了不同亚格子模式下湍流流动瞬时压力场以及流场中瞬时粘性大小的分布,尤其给出了流场瞬时演变的大尺度涡结构。将六种亚格子模式从回流区长度、计算时间、计算结果的准确性和流场稳定性等不同角度进行了比较。为选取合适的亚格子模式深入研究湍流耗散机理奠定了基础。     

二维槽道湍流拟序结构的大涡模拟

本文采用大涡模拟的方法,对二维槽道湍流流动进行了数值模拟。采用Chorin的分步投影法求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用三种亚格子（SGS）模式分别模拟,给出了不同亚格子涡粘性模式下的模拟结果。对固壁面采用了壁函数。模拟结果再现了二维槽道流动拟序结构的发展演变过程。通过对不同入口速度下的瞬态流场的比较,揭示了入口速度分布对流场的影响。     

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。     

圆柱近尾迹湍流涡结构的直接数值模拟

本文运用谱元方法对圆柱尾流进行直接数值模拟。通过对中等Re数（1000）时的圆柱近尾迹湍流涡结构的演变系统细致的研究,经过长时间流动计算,用速度矢量及相应涡结构示意图显示主涡,二次涡结构的相互作用,显示整个尾迹涡结构在一个周期内的演变过程,获得了在实验中难以清楚观察到的近壁流动特征。本文得到圆柱近壁处二次涡形成有两种不同的机理,并总结出涡的合并所需要的条件。     

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.     

旋转体系中湍流的LBM模拟

采用基于多松弛时间因子的格子Boltzmann方法对旋转体系中的湍流进行数值研究,考察Rossby数和Ekman数对湍流的影响,包括湍流能量及其耗散率、速度、涡结构及湍流的耗散尺度即Kolmorogov尺度和积分尺度等.研究表明,系统的旋转延缓了湍流能量的衰减速率,逐步破坏初始涡结构的均匀性,与旋转方向相反的涡逐步被抑制,并最终形成若干与旋转同向的涡柱.结果还表明,系统旋转越快,湍流的耗散尺度越小而积分尺度越大.     

大型风电机组尾流效应非定常数值模拟研究

为了深入研究切变入流条件下大型风电机组尾流效应的非定常特性,以NREL 5 MW大型海上风电机组为研究对象,建立了机组三维整机流场的全尺度结构化网格模型,基于滑移网格方法开展了风电机组额定工况下尾流效应的非定常数值模拟研究,并通过与NREL报告数据对比验证了模拟方法的可靠性。分析了风切变、机舱塔筒、叶片旋转等多种因素综合影响下风电机组性能参数的周期性变化规律,探讨了切变入流对尾流区风速分布的影响,以及尾流涡系的结构与发展情况。     

脉冲管制冷机变截面交变流动特性CFD研究

采用计算流体力学(CFD)方法,对小型脉冲管制冷机进行了二维数值模拟,研究了脉冲管制冷机部件变截面处的结构非对称性对流场的影响。数值模拟结果观测到由非对称结构所引起的非对称流动,揭示了第三直流效应的产生机理,这种非对称流动以周期性演变的涡量环流的形式进行。涡量环流的演变是一个能量的耗散过程,文中还对比了不同输入功率和运行频率对涡量耗散的影响。此外,将数值模拟结果与实验实测结果进行对比,验证了数值模拟的有效性,并从涡量耗散的观点出发对小型脉冲管制冷机输入功率增加到一定程度后制冷温度升高的反常现象进行了解释。     

升力型垂直轴风力机翼型的选择

目前升力型垂直轴风力机采用的翼型多种多样,为了研究不同翼型对升力型垂直轴风力机风能利用率的影响,本文采用计算流体力学软件和滑移网格技术对升力型直叶片垂直轴风力机进行二维流场的数值模拟。结果表明,对于升力型垂直轴风力机,当选择NACA0018翼型可以达到最高的风能利用率。     

计算流体成像技术重构方法及其应用

建立系统的计算流体成像(CFI)技术,并论证其为流动数值模拟与风洞实验相互佐证的重要手段。采用纯数值模拟技术重构得到流场计算阴影、纹影以及干涉图,主要技术包括复杂湍流模拟技术、三线性插值技术和流动图像重构技术等。同时将CFI技术应用于激波管内绕障碍物三维复杂流动计算图像重构,并与双向全息实验结果进行了比较分析。研究证明该CFI技术可以用于复杂几何边界、分区域、非定常流动图像重构,不仅能够为流场结构特征分析提供重要参考依据,而且能够用于数值模拟与风洞实验结果的比较印证。     

5kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机优化设计

本文详细介绍了5 kW遮蔽-增速垂直轴风力机的结构特点及主要参数。利用正交优化设计方法,采用计算流体力学软件,针对5 kW风力机,在叶片个数和遮蔽板安装位置半径一定的情况下,对翼型弦长、叶片转动扫掠面的半径、风轮旋转速度、遮蔽-增速板个数、遮蔽-增速板与叶片间的气动间隙以及遮蔽-增速板的安装角六个参数进行优化计算,找出一组最佳设计参数,进而设计出5 kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机,并对设计出的有遮蔽板与无遮蔽板两类型风力机的变工况特性进行比较分析。     

风力机翼型气动计算的降阶模型研究

将基于POD的降阶模型应用于风力机翼型的气动研究。首先应用CFD数值模拟得到一系列快照结果;应用基于本征正交分解(POD)的方法得到流场的一组基模态,认为对于所研究的问题,任一流场可以由这些基模态通过线性表达得到;对控制方程进行Galerkin投影,得到降阶模型,将离散求解N-S方程的问题转化为一组只有十几个自由度的常微分方程,从而减少计算时间,提高计算效率。并对二维翼型的绕流的定常和非定常问题进行了分析,计算结果表明,降阶模型可以较好地捕捉流动的特征,与直接CFD模拟相比计算精度相当,但大幅有效地提高了计算效率。     

基于面元法的水平轴风力机数值模拟

使用基于速度面元法的势流数值模拟方法,以NREL PhaseⅥ为例进行了叶片气动载荷和风轮近尾流场的数值模拟。将势流数值模拟、叶素动量理论和计算流体力学CFD方法的计算结果与实验数据进行了对比分析。结果表明使用速度面元法计算风轮绕流场具有较高的计算精度和求解效率,为大规模风力机群的流场计算和出力预报提供支撑。     

海上风电叶片智能控制实验系统研制及控制效果分析

随着风力机大型化发展,叶片尾缘襟翼控制技术,作为叶片流场主动控制的一种有效手段,能够有效、快速、灵活地降低叶片载荷,提高风力机,特别是大型风力机的可靠性、经济性,该技术受到国内外的广泛关注。为深入了解叶片襟翼实际作用效果及降载机制,在大量数值仿真计算工作基础上,需进一步开展带有襟翼控制的模型风力机风洞实验工作。本文在相似准则基础上,引入叶片展向环量、Polar线相似条件,对NREL 5 MW风力机叶片按1:105进行缩比设计,采用伺服电机驱动襟翼的结构方案对叶片参数进行修正,并根据BEM理论优化带有襟翼叶片的气动性能,最终确定带有襟翼控制的风力机叶片设计方案。最后利用气弹耦合仿真计算平台对带有襟翼控制的模型风力机进行性能计算,确定理想实验工况点及对应的降载效果。本文所开展的工作不仅能够为叶片缩比设计提供新思路,更有意义的是为襟翼控制系统在叶片中的实现提供有效借鉴。     

大分离条件下风力机叶片三维定常数值模拟研究

为了改善失速条件下风力机气动特性的CFD模拟精度,采用定常的RANS求解方法和一方程S-A湍流模型,数值模拟定桨距型风轮叶片LM19在高风速(18m/s)条件下的气动特性.首先讨论了由流动大尺度分离导致计算收敛曲线大幅度振荡时数值结果的处理方法,然后分析了计算域尺度和网格密度对数值模拟结果的影响,为失速条件下风力机气动...     

Numerical Investigation and Wind Tunnel Validation on Near-Wake Vortical Structures of Wind Turbine Blades

Computational fluid dynamics (CFD) has been used by numerous researchers for the simulation of flows around wind turbines. Since the 2000s, the experiments of NREL phase VI blades for blind comparison have been a de-facto standard for numerical software on the prediction of full scale horizontal axis wind turbines (HAWT) performance. However, the characteristics of vortex structures in the wake, whether for modeling the wake or for understanding the aerodynamic mechanisms inside, are still not thoroughly investigated. In the present study, the flow around NREL phase VI blades was numerically simulated, and the results of the wake field were compared with the experimental ones of a one-to-eight scaled model in a low-speed wind tunnel. A good agreement between simulation and experimental results was achieved for the evaluation of overall performances. The simulation captured the complete formation procedure of tip vortex structure from the blade. Quantitative analysis showed the streamwise translation movement of vortex cores. Both the initial formation and the damping of vorticity in near wake field were predicted. These numerical results showed good agreements with the measurements. Moreover, wind tunnel wall effects were also investigated on these vortex structures, and it revealed further radial expansion of the helical vortical structures in comparison with the free-stream case.     

Stork叶片气动性能研究

本文采用了CFD方法,对中国空气动力研究与发展中心的STORK 5.0 WPX全尺寸风电机叶轮气动件能进行了数值模拟,对转轮的几个截面压力系数进行了预测,并与风洞实验结果进行了对比,两者基本上吻合,并通过对流场进行分析,验证了计算方法的可行性和准确性.     

基于校准k-ε模型的复杂地形流动数值模拟

准确计算风电场的内部流动对风电场的微观选址至关重要。求解雷诺平均NS方程(RANS)的模拟是当前模拟风电场内部流动的主要手段。湍流模型对模拟结果的准确性有很大影响。选取在工程中广泛应用的标准k-ε湍流模型进行研究。首先以平板地形为计算模型,探究入口边界条件、壁面方程、模型可调参数和对模拟流向均匀大气边界层的影响,获得平板地形下最优的模型可调参数设置。然后以三维山丘地形为计算模型,研究入口边界条件和源项对存在分离流动时复杂地形下的绕流模拟的影响。将得到的最优结果同实验结果对比,验证模拟方法的可行性,并给出添加源项的指导方法。