孤立两叶螺旋桨风洞试验准定常数值模拟

为研究某型两叶螺旋桨的气动性能,对某型两叶螺旋桨进行了风洞试验及计算流体动力学(CFD)数值模拟。通过求解多重参考坐标系(MRF)模型下的准定常雷诺平均Navier-Stokes方程,计算了直径为960mm的某型两叶木质螺旋桨静态和动态的气动特性。并在西北工业大学NF-3风洞的三元试验段获得了该螺旋桨桨叶的拉力、扭矩、功率等气动性能数据。螺旋桨风洞试验与CFD数值模拟对比验证表明:基于MRF模型的数值模拟结果与风洞试验结果具有一致性,两者的螺旋桨拉力的偏差控制在5%以内,扭矩的偏差控制在10%以内,拉力功率比的偏差控制在6.08%以内,证明了CFD数值模拟对螺旋桨气动性能预测的准确性。本文可为通用电动飞机螺旋桨的设计与模拟验证提供参考。     

基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨流固耦合计算方法

针对复合材料螺旋桨的流固耦合水弹性行为,为形成双向耦合的集成平台,对复合材料螺旋桨进行了流固耦合计算方法的研究。在ANSYS Workbench平台中,采用ACP模块对复合材料螺旋桨的建模进行了分析,介绍了复合材料螺旋桨的建模流程、流体计算模型和固体计算模型。通过静态加载试验对复合材料螺旋桨建模方法的可靠性进行了验证,计算值与试验值的偏差在5.1%以内,且反映出材料的各向异性。通过空泡水洞模型试验对复合材料螺旋桨流固耦合敞水性能计算方法的精确度进行了验证,在转速为12.7r/s和25r/s两个工况下计算的推力和扭矩与试验值吻合较好。验证了基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨稳态流固耦合计算方法合理可行,为复合材料螺旋桨的流固耦合振动特性分析提供了参考。     

舵几何特征对桨-舵系统尾流场演化的影响

发生在桨和舵之间的干扰会影响螺旋桨尾流的演化,导致尾流场中的湍流在下游增强,恶化船舶的振动和噪声性能,深入分析舵几何参数对桨-舵系统尾流场演化的影响能够为推进器尾流场的调节和减振降噪提供新思路.因此,从弦长、剖面和梯形舵入手分析不同的舵几何参数对螺旋桨尾流场演化特性的影响,使用大漩涡模拟方法模拟流场中的湍流结构,对不同舵弦长、剖面下的螺旋桨尾涡结构演化进行了分析,在舵弦长、剖面影响螺旋桨尾流场演化的研究的基础上分析了梯形舵对螺旋桨尾涡结构的影响,进一步分析了梯形舵影响下的螺旋桨尾流场中湍动能的分布.结果表明舵的弦长和剖面均会影响螺旋桨尾流场的演化,这种影响表现为更大的弦长和更厚的剖面会促进螺旋桨梢涡在舵压力面上的偏移,更薄的舵剖面会带来更强烈的螺旋桨毂涡偏移;涡管轮廓和舵表面脉动压力的对比均表明梯形舵会促进螺旋桨尾流场沿逆舵梯度方向偏移,从而导致螺旋桨的尾涡结构在舵两侧及下游呈现不对称分布,桨-舵系统下游的湍流结构与螺旋桨尾涡-舵碰撞过程、螺旋桨尾涡-舵随边涡干扰过程、螺旋桨梢涡-螺旋桨毂涡干扰有关,偏移更大的螺旋桨尾涡结构会在尾流场中更早地引起湍动能增强.     

攒尖四坡屋面风致雪漂移的数值模拟

为获得攒尖四坡屋面的风致雪漂移规律，基于欧拉-欧拉方法和风雪单向耦合假定，运用计算流体动力学软件，选取Mixture模型分别对立方体周边和高低屋面上的风致雪漂移运动进行数值模拟，将模拟结果与两者的实地观测数据对比，探讨分析数值风洞的关键技术和参数设置，验证数值模拟方法的合理性与可靠性。依据攒尖四坡房屋的使用功能要求，设计分析模型与分析工况，在试算的基础上对屋面进行分区。以风速5 m/s，7 m/s，9 m/s，11 m/s，13 m/s和15 m/s，风向角0°，15°，30°和45°以及屋面坡度25°，30°，34°，40°和45°为分析参数，对攒尖四坡房屋的120种工况进行数值模拟，得到屋面各分区侵蚀沉积的基本规律，提出可用于抗雪设计的屋面积雪分布系数。研究表明，风向角的改变会使屋面积雪分布状态发生较大程度的变化，风速和屋面坡度的变化对屋面整体积雪量有较大影响。     

风吹雪廓线的风洞实验研究

利用颗粒图像测速仪对新雪形成的风吹雪进行风洞实验研究, 给出了不同高度处雪粒粒径分布函数以及平均粒径廓线、雪粒数通量廓线的分布规律. 发现当摩阻风速大于0.5 m/s 时单宽输雪率与摩阻风速满足指数函数的关系, 小于0.5 m/s 时两者满足幂函数的关系, 总体而言, 单宽输雪率与摩阻风速呈线性关系.     

微载荷含油轴承摩擦性能研究Ⅱ.摩擦试验分析

采用自行研制的径向轴承微载荷摩擦试验机研究了微载荷下径向含油轴承的摩擦性能,采用小波方法对试验数据进行滤波降噪.结果表明,含油轴承在稳定微载荷状态下的瞬态摩擦系数不固定,且随着润滑剂、轴承转速、径向载荷与混合润滑状态等因素而变化.在微载荷状态下,当600 r/min、采用液晶添加剂(5CB)与46号机械油以体积比1%～2%配制的润滑剂润滑时,平均摩擦系数达到最小值;当转速从600 r/min增至3 000 r/min时,平均摩擦系数由小变大、再变小;瞬态摩擦系数随着载荷从0.5 N增至10.0 N呈现高-低-稳定的变化趋势.与混合润滑状态相比,充分润滑下的摩擦系数较大;当混合润滑时,在主轴转速为1 500～2 400 r/min下的摩擦系数出现不稳定.     

自旋转磁极在合金管内表面精密抛光中的应用

利用磁力研磨法对合金管件内表面进行精密抛光时,通常在管腔内添加辅助磁极来提高单位空间内的磁感应强度,从而增大研磨效率.但添加辅助磁极后,由磁性磨粒组成磁粒刷的刚性提高,导致单个磁性磨粒的运动轨迹过于单一,易在管件表面出现较深划痕.针对这一问题,提出对辅助磁极添加一个径向旋转运动,从理论上分析了单个磁性磨粒的运动轨迹对表面质量的影响,并对钛合金管内表面进行了精密抛光试验.试验结果表明:当管件转速为1 000 r/min、辅助磁极转速为1 800 r/min、磁性磨粒的平均粒径为250μm时,研磨效果最佳,研磨50 min后,表面粗糙度值稳定至Ra 0.11μm,材料去除量可达850 mg,表面质量得到明显改善.     

既有裂缝、空洞病害隧道爆破振动安全控制标准

爆破荷载作用下，既有隧道衬砌的振动安全振速控制标准制定，大多以既有隧道完好为前提条件，不考虑病害因子对结构动力响应的影响，与实际不相符。为此，以既有新岭隧道旁拟建新隧道为工程背景，基于既有隧道衬砌裂缝和背后空洞的实际分布特征与规律，建立带裂缝与空洞的二维、三维结构模型，分析裂缝、空洞对衬砌动力响应的影响，提出以振速为指标的标准管理体系。结果表明:裂缝的最不利分布位置为迎爆侧边墙处，裂缝的存在增强了既有衬砌对S₁应力(拉应力)的响应，振速控制标准的制定应以S₁应力和裂缝径向深度为控制指标；当裂缝径向深度为(0～1/8)h、(1/8～1/2)h和＞(1/2)h（h为衬砌厚度）时，控制标准分别为12、10和8 cm/s。空洞的最不利分布位置为拱顶，空洞的存在增强了既有衬砌对S₁应力和振速的双重响应，以增强振速响应为主，振速控制标准的制定应以振速、空洞面积及纵向长度为控制指标，空洞工况下，控制标准为12 cm/s；空洞沿隧道纵向长度小于7 m时，监控范围为3～4倍纵长；空洞沿隧道纵向长度大于7 m时，监控范围为1～1.5倍纵长；纵向长度小时，倍数取大值。     

落地四坡房屋表面风致雪漂移效应分析

为了获得落地四坡房屋表面积雪分布规律,根据风雪运动机理选取适当的雪粒粒径、积雪密度、沉降速度等条件,考虑积雪侵蚀沉积等影响因素,基于Euler-Euler多相流理论,使用FLUENT软件Mixture多相流模型模拟了立方体周围积雪及高低屋盖模型表面积雪分布,并与实测进行了比较,确定了湍流物理方程、数值风洞尺寸、细部网格及数量、壁面条件等各计算参数设置。以风速、风向角为参数,模拟落地四坡房屋屋面积雪分布得出:随着风速增加,屋面积雪量不断减少,15m/s风速下屋面积雪呈完全侵蚀状态,低风速下屋面积雪更多;屋面各区域积雪漂移随着风向角的改变不断改变,总体表现为侵蚀状态沉积区域较少;在5m/s风速下落地四坡房屋的迎风面各区域积雪分布系数在0.5以下,迎风屋顶各区域积雪分布系数基本为0,背风屋顶各区域积雪分布系数变化幅度高达0.8,背风面各区域积雪分布系数整体保持在0.9附近。得到了5m/s风速下区域积雪分布系数表,可为该类房屋的设计使用提供理论依据。     

矩形截面高层建筑横向风激励时程模拟

提出了一种改进的矩形高层建筑横风向脉动激励模拟方法。从牛顿第二定理出发,将沿建筑高度分布的横风向加速度和楼层质量转化为沿楼层高度分布的横风向惯性力计算公式;考虑横风向力谱竖向相干函数,由此导出了沿建筑高度方向分布的横风向脉动力互谱,进而采取谐波合成法模拟出了沿建筑高度分布的横风向脉动力时程数据。结果表明:横风向振动响应与结构固有频率相关,结构前2阶模态频率所对应的横风向加速度响应功率谱约占80%,且第2阶模态频率占主导;当在结构2/3高度增加粘滞阻尼器时,第2阶模态频率所对应的结构加速度功率谱值降低约为43.1%,减震效果明显。因此,结构横风向加速度分析至少考虑前2阶模态的影响。     

大于切出风速的大型风力机运行控制策略研究

运用非定常叶素动量(BEM)理论计算气动载荷,叠加重力载荷和惯性载荷,建立并数值求解全机动力学模型。基于快速非支配排序遗传算法(NSGA),在切出风速以上,优化得到变速变桨和定速变桨两种控制规律曲线,实现大型风力机在25m/s~40m/s风速之间正常运行的目的。比较两种控制策略的输出功率、风轮推力和转矩,得出变速变桨控制策略更适合于25m/s~40m/s之间风力机运行控制的结论。计算稳态工况时8种叶根载荷的极限值,由各载荷的变化趋势可知,Fy在25m/s之后增大9%,其他载荷均安全。     

基于Schmitz理论的风叶气动设计研究

应用Schmitz理论进行叶片气动设计,考虑了风力机叶片的气动损失,用Schmitz理论推导出风力机叶片的基本设计参数的计算公式,并考虑了风力机在启动和空载时风力机的实际工作点偏离了设计点,对叶片的气动性能参数进行了修正。通过对200kW风力机的算例表明:随着叶片半径的增大,入流角逐渐减小;叶片弦长先增大后减小,修正后得到的风力机在非设计点处的推力、驱动力矩、功率与实际风力机的特性规律相符。     

鹅掌楸树叶在风中的变形与振动

树叶的空气动力与流固耦合特性研究在树木保护、新发电技术开发、太阳能帆板设计等方面具有重要意义.Vogel首次发现树叶在较高风速下具有形状重构以避免受损害的能力.Vogel实验时叶柄端部是简支的,与叶柄与树枝的自然连接方式不同.在本文的研究中,叶柄端部是固支的,叶片垂直悬挂,正面或反面迎风.在风速0～27 m/s范围内,存在两种叶片静止状态,即飞翼形稳定和锥形稳定;还有3种叶片振动状态,即低频摆动、第1和第2高频振动.这5种状态由5个临界风速决定.通过70余片树叶测试结果的统计,得到了树叶每个状态存在的概率,及每个临界风速的期望值.流动显示发现树叶变形后其尾流中存在旋涡脱落现象.天平测量发现叶片阻力系数随叶片雷诺数的增大而减小并逐渐接近于0.1.引入悬臂梁模型,采用测量的叶片气动力,对叶柄静态弯曲形状进行计算,结果表明当风速由0逐渐增至5 m/s时,叶柄向下游弯曲迅速;但风速由5 m/s进一步增大时,向下游的弯曲则变慢.     

The effects of propeller tip vane on flow-field behavior

 This paper investigates the effects of attaching a tip vane to a propeller blade on the development and propagation of a tip vortex. The study employed a two-bladed propeller operating with and without a tip vane. Evaluation of the tip vortex was studied by using both smoke-wire flow visualization, hot wire anemometer, and strain gauge load-cell techniques. The mean velocity distributions and the velocity unsteadiness data as well as thrust, input power and efficiencies were obtained. Experiments were repeated at various rotating speeds ranging from 2000 to 5000 rpm. Received: 26 November 1995/Accepted: 11 April 1997     

Numerical investigation of cavitating flows for marine propulsors using an unstructured mesh technique

In the present study, the cavitating flows around marine propulsors have been numerically investigated by using a multi-phase RANS flow solver based on pseudo-compressibility and a homogeneous mixture model using unstructured meshes. To handle the relative motion between the rotating rotor and the stator, an overset mesh technique was adopted. The mass transfer rate between the liquid and vapor phases was determined by Merkle’s cavitation model based on the difference between the local and vapor pressure. The calculations were made for the P4381 marine propeller with different cavitation numbers at several advancing ratios. It was shown that the vapor structure, such as cavitation size and shape, was well captured at cavitating flow conditions. It was observed that the cavitation breakdown behavior was also well captured by the present method. Good agreement was obtained between the present results and the experiment for the integrated blade loadings, such as thrust and torque. The calculations were also made for a water-jet pump configuration at several flow conditions, and the cavitation breakdown behaviors for total headrise, power and thrust were validated by comparing the results with the experiment. The blade area covered by the cavitation and the shape of tip leakage cavitation were also compared with the experiment. Reasonable agreement between the predicted results and the experiment was obtained.     

风剪切对风力机叶片气动性能及尾迹形状的影响

风力机通常运行在非定常工况中,其气动性能及尾迹会随着工况的变化而变化. 风剪切是风力机长期所处的环境,它会影响到叶片气动载荷、尾迹形状、总体性能等,分析风剪切作用下的叶片气动性能对风力机的设计有重要意义.本文采用一种时间步进自由涡尾迹(free vortex wake, FVW)方法,耦合FVW方法与风剪切模型,计算不同风剪切因子作用下叶片的气动力系数、推力以及风轮后的尾迹形状变化,研究尾迹形状变化对风轮旋转平面诱导速度及风力机叶片气动性能的影响. 结果表明:在风剪切入流条件下, 随着风剪切因子的增大,风力机的气动力系数随时间做周期性波动的幅度加剧, 推力的平均值逐渐减小,尾迹倾斜程度增大, 尾迹在轮毂下方的倾斜程度更明显;尾迹形状的变化使风轮平面轴向诱导速度因子分布不均匀,同时使风力机的总体性能降低且偏离较大;倾斜尾迹相比于对称尾迹对风轮平面处的诱导影响有明显差别, 波动幅值增大,气动力系数在波谷处的偏差比波峰处大. 尾迹越倾斜,风轮旋转平面处的载荷不对称性越明显.      

Unsteady aerodynamic forces and power requirements of a bumblebee in forward flight

Aerodynamic forces and power requirements in forward flight in a bumblebee (Bombus terrestris) were studied using the method of computational fluid dynamics. Actual wing kinematic data of free flight were used in the study (the speed ranges from 0 m/s to 4.5 m/s; advance ratio ranges from 0–0.66). The bumblebee employs the delayed stall mechanism and the fast pitching-up rotation mechanism to produce vertical force and thrust. The leading-edge vortex does not shed in the translatory phase of the half-strokes and is much more concentrated than that of the fruit fly in a previous study. At hovering and low-speed flight, the vertical force is produced by both the half-strokes and is contributed by wing lift; at medium and high speeds, the vertical force is mainly produced during the downstroke and is contributed by both wing lift and wing drag. At all speeds the thrust is mainly produced in the upstroke and is contributed by wing drag. The power requirement at low to medium speeds is not very different from that of hovering and is relatively large at the highest speed (advance ratio 0.66), i.e. the power curve is J-shaped. Except at the highest flight speed, storing energy elastically can save power up to 20%–30%. At the highest speed, because of the large increase of aerodynamic torque and the slight decrease of inertial torque (due to the smaller stroke amplitude and stroke frequency used), the power requirement is dominated by aerodynamic power and the effect of elastic storage of energy on power requirement is limited.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10232010) and the National Aeronautic Science fund of China (03A51049)The English text was polished by Xing Zhang.     

Experimental study of the effect of slotted blades on the Savonius wind turbine performance

This study investigates the effect of Reynolds number on the performance of Savonius wind turbine with slotted blades. The turbine performance investigation was based on the torque coefficient( Ct), power coefficient( Cp), and tip speed ratio( TSR). The experiment used two number of blade configuration, blade overlap ratio of 10%, 12.5% and 20%, slotted position of 15%, 20%, 25% and 35%, and also slotted gap width of 3 mm, 5 mm, 7 mm, and 9 mm. The wind speed carried out in this experiment are 5.94 m/s, 6.46 m/s, 6.99 m/s, and 7.27 m/s, which are generated from the fan blowers as a wind source. The Savonius turbine with 10% overlap ratio shows the best performance. The highest Cp obtained is 0.138 by the variation of a 3 mm gap with Re of 1.44 × 10~4 and 0.526 TSR.     

风速不确定性对风力机气动力影响量化研究

风力机气动力学一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是基于确定性工况条件, 但因风力机常年工作在自然来流复杂环境,风速随机波动致使风电系统呈现不确定性, 对电网稳定性带来巨大挑战,因此进行不确定风速条件下风力机气动力学研究具有重要意义.为揭示不确定性对风力机流场影响机理并明确其对气动力的影响程度,本文提出一种风力机不确定空气动力学分析方法,基于修正叶素动量理论和非嵌入式概率配置点法,建立水平轴风力机不确定性空气动力学响应模型; 以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象, 基于该模型提取风力机输出随机响应信息,量化不确定风速对风力机风轮功率、推力、叶片挥舞弯矩和摆振弯矩的影响程度;通过分析流动诱导因子不确定性在叶片展长方向上的分布规律,揭示不确定因素在风力机本体上的传播机制,为风电系统设计及应用提供理论依据和重要参考. 结果表明,风速波动对风力机功率和气动力影响显著,高斯风速标准差由0.05倍增大至0.15倍均值,功率和推力最大波动幅度分别由13.44%和8.00%增大至35.11%和22.02%,叶片挥舞弯矩和摆振弯矩最大波动幅度分别由7.20%和12.84%增大至19.90%和33.49%.来流风速不确定性导致叶片根部位置气流明显波动,可以考虑在该部分采取流动控制措施降低叶片对风速不确定性的敏感程度.