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。     

底吹气体搅拌下熔池内流场的研究

本文对底吹气体搅拌下水模型熔池流场进行了研究。以流函数、涡量为主要应变量,采用K-8湍流双方程模型,气液两相区的浮力模型及边界条件构成数学模型,应用spalding计算湍流迥流的方法,数值求解得到熔池流场涡量、流函数、湍动能、湍动能耗散率、涡旋粘性系数、速度、含气率及密度等的分布,计算的速度分布及流谱与实验测定的相吻合。     

机翼颤振的有源声控制

借助于己推导出的声激励下绕三维薄翼的非定常位势流的精确解，本文进一步分析了限于弱扰动的声激励消除颤振的机理，讨论了声源参数对颤振边界的影响，并通过声一涡耦合的理论计算，解释了原有的风洞实验。结果表明，对于不同位置的声源，声致气动载荷的无环量和有环量部分起着不同的作用，而且，在声控制颤振的过程中，系统的各种参数存在一定的关系，必须合理地选取最佳参数。本文的研究为声控制技术在气动领域中的实际应用提供了理论基础。     

基于涡量流函数方程的POD低阶模型研究

现有流动的POD低阶模型大都是对N—S方程建立的,由于在建立过程中推导较复杂且研究发现,涡量流函数低阶模型重构流场所需的基函数个数少于N—S低阶模型所需的个数,因此本文研究基于涡量-流函数方程的POD模型。本文将此模型应用于顶盖驱动流验证该模型的计算精度。数值计莽表明:当采用较少个数的基函数时,基于涡量流函数的POD低阶模型较基于N—S方程的POD低阶模拟计算精度更高;保证计算精度相同时,基于涡量流函数的POD低阶模型所需基函数个数更少;且该模型与有限容积法计算结果吻合良好。     

机翼跨声速非常绕流IA型反命题变域变分有限元解

以文[1]提出的二维振荡机翼含激波跨声速非定常绕流IA型反命题变分原理为基础，构建求解IA型反命题的有限元解法。构造了三维时空可变节点有限元来捕获自由尾涡面和翼面几何形状，跨声速流中的激波用人工密度法捕获。在远场边界上采用简化的无反射边界条件，新型非定常Kutta条件被用于处理尾缘条件。用该方法，根据翼型跨声速非定常绕流翼面压力分布求解IA型反命题，得到了NACA64A010翼型的几何形态，计算结果令人满意。     

机翼跨声速非定常绕流IA型反命题变域变分有限元解

以文[1]提出的二维振荡机翼含激波跨声速非定常绕流I_A型反命题变分原理为基础,构建求解I_A型反命题的有限元解法。构造了三维时空可变节点有限元来捕获自由尾涡面和翼面几何形状,跨声速流中的激波用人工密度法捕获。在远场边界上采用简化的无反射边界条件,新型非定常Kutta条件被用于处理尾缘条件。用该方法,根据翼型跨声速非定常绕流翼面压力分布求解I_A型反命题,得到了NACA64A010翼型的几何形状,计算结果令人满意。     

振荡机翼跨音速非定常粘性绕流的数值计算

以非定常Ｎ－Ｓ方程为主管方程，采用ＬＵ－ＮＮＤ混合差分格式，Ｃ和Ｃ－Ｈ型贴体运动网格，Ｂ－Ｌ双层代数紊流模型，求解绕振荡翼型和三维机翼的跨音速非定常粘性流场，分别计算了ＮＡＣＡ００１２翼型和Ｍ６机翼作俯仰振荡时跨音速非定常粘性绕流流场。研究了非定常绕流的气动特性，部分计算结果和风洞实验值作了比较。     

拟涡位移模型及气粒两相流动数值模拟

本文首先用离散涡方法对绕圆柱和半无限长平板的流动作了数值模拟。在讨论粒子和涡团耦合运动的基础上首次提出了粒子在流场中运动的拟涡位移模型，并对几个典型的气粒两相流动作了数值模拟。文章最后对流场中粒子运动的瞬时状态作了统计处理，得到了关于粒子在流场中分布的概率密度函数和粒子脉动速度的分布函数并用拟涡位移模型对壁面附近粒子的运动－沉积和反弹作了数值模拟。计算结果是令人满意的。     

风力机动态失速降阶模型

在非定常气动环境下运行的风力机会引发动态失速的现象。由此对风力机翼型的非定常气动力用两种降阶模型(Volterra级数模型和基于代理模型的递归结构模型)进行了预测。本文对两种模型进行了简要分析。为了说明模型对非定常气动力预测的能力,将预测结果与CFD仿真结果进行了比较。结果表明在轻度失速工况下两种模型都有较好的预测能力,在深度失速工况下基于代理模型的递归结构模型的精度较高。因此也可以认为这两种降阶模型对风力机的气动弹性问题的分析和优化是有益的。     

转速对弯掠轴流风机气动噪声的影响分析

针对弯掠轴流风机气动噪声问题,采用大涡模拟(LES)和基于Lighthill声类比的FW-H模型相结合的方法进行非定常计算,通过快速Fourier转换(FFT),得到风机远场气动噪声声压级分布。对比研究了三种转速下旋转区内声压级分布规律、时域及频域特性,结果表明:旋转区域内声压级随转速增加而增大,前缘分离涡在某一转速时影响区域和强度最大;在一个旋转周期内,声压脉动呈现出6个波峰与波谷,验证了叶片转动频率是风机内部气动噪声的主要激励频率.     

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。     

应用分离涡模型计算斜圆柱孔气膜冷却

分离涡模型(DES,Detached eddy simulation)兼有雷诺时均湍流模型计算量较小和大涡模拟计算精度高的优点。本文利用DES对平板单斜圆柱孔的气膜冷却进行了数值模拟,并将结果同RANS湍流模型的计算结果以及实验数据相比较,表明DES能有效弥补RANS湍流模型在计算三维不均匀非定常湍流场的不足,更接近实际地反映了气膜冷却中的流动和换热的本质规律。     

冷却用弯掠轴流风机气动噪声预测与试验分析

采用Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,对五种不同结构的弯掠轴流风机A/B/C/D/E进行稳态数值模拟,结合给定的性能要求筛选出B/E风机。以稳态流场为基础,采用大涡模拟(LES)与基于Lighthill声类比的FW-H模型相结合的方法对B/E风机进行非定常计算和气动噪声预测,并将预测结果与试验数据进行了对比验证。分析了以叶轮表面作为噪声源时B/E风机的涡流噪声频谱特性,研究了风机三维非定常内部流场中旋涡分布特性,并探讨了风机旋转区域内部声压级的分布规律。     

空腔的非定常可压缩过流及相关气动声学问题

使用大涡模拟-声学比拟相结合的方法,研究三维开式空腔的非定常可压缩过流及其相关的气动声学问题.近场的声源流场部分使用大涡模拟,声音向远场的辐射使用Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声学比拟,建立了适合于开式空腔的全三维计算气动声学预测方法.文中突出了声源采样时间和积分模数的选择问题.     

来流边界层对三角翼诱导涡特性的影响

三角翼是涡发生器的主要结构型式,用于涡发生器的三角翼常处于翼面边界层内。本文采用数值求解雷诺平均NS方程的方法,以平板上一个三角翼模型为研究对象,研究不同来流边界层速度型(均匀分布、湍流边界层速度型和层流边界层速度型)和5种边界层厚度条件下,三角翼诱导涡沿流向的最大涡量分布规律及衰减规律。结果表明,湍流边界层下三角翼诱导涡最大涡量值要大于层流边界层,且边界层高度越低,诱导涡最大涡量值越大。     

基于非定常曲面涡格法的气动灵敏度和线性化分析

非定常曲面涡格法可以准确考虑曲面气动构型和非定常尾涡对气动载荷的影响,是分析大柔性机翼气动弹性动稳定性的重要手段。基于小扰动假定对气动载荷的状态空间方程线性化处理,基于链式法则对气动载荷的解析灵敏度推导,是构造线性化气动弹性方程的基础,并可用于提高动稳定性分析效率。此外,线性化的状态空间方程和解析灵敏度还可应用于气动弹性控制及优化设计。通过数值仿真发现,气动载荷对涡格节点在竖直方向的位移分量最为敏感。与有限差分法相比,使用解析灵敏度可以保障计算精度并大幅提高计算效率。     

可变周期谐波平衡法求解周期性非定常涡脱落问题

谐波平衡法是一种高效周期性非定常流动频域计算方法.本文研究可变周期谐波平衡法,通过求解Navier-Stokes方程模拟低速不可压条件下的二维钝体绕流周期性非定常涡脱落问题.对于这类流动变化周期未知的非定常问题,将涡脱落周期T作为变量,采用基于残差导数的可变周期计算方法推进求解.以圆柱绕流和方柱绕流为例,研究考察了谐波平衡法的计算精度和效率,并分析研究了不同参数对计算结果的影响.针对圆柱绕流问题,采用三种不同优化方法进行周期T的迭代计算,对比研究了它们的计算精度和效率.计算结果表明:谐波平衡法采用3个谐波数就可以准确模拟周期性非定常涡脱落问题,辨识的涡脱落频率和阻力系数与实验值及其他数值结果一致,与时域方法相比该方法具有较高的计算效率.不同优化方法的计算结果相同,共轭梯度法和牛顿法的收敛速度与最速下降法采用较大搜索步长时的收敛速度一致.由于牛顿法没有参数问题,因此该方法在工程计算中更有优势.     

低雷诺数反齐默曼机翼的气动特性

通过PISO方法求解非定常不可压N-S方程,研究小展弦比反齐默曼机翼在低雷诺数下的流场特征,并分析其对气动特性的影响.结果显示前缘分离涡在反齐默曼机翼上表面形成一对集中涡.分析表明这对集中涡是影响反齐默曼机翼气动特性的主要因素,给机翼提供了较大的非线性升力和较大的失速攻角,前缘涡之间的相互影响使得机翼出现非定常现象和大攻角的非对称现象.与矩形翼相比,反齐默曼机翼有较好的稳定性.     

动态变桨式H型风力机气动特性的数值分析

本文采用CFD数值模拟方法研究了H型垂直轴风力机基于动态变桨条件下的二维非定常黏性绕流场。以一个三叶片H型风力机的实验模型为研究对象,采用笛卡尔动网格方法,选用SST湍流模型。叶尖速比分别为2.15和2.27,将动态变桨条件下模拟得到的风力机的功率系数与常规无变桨条件下的模拟结果进行了比较。讨论了单个叶片和风轮总载荷沿周向的变化规律,详细分析了一个旋转周期内二维非定常涡量场的变化,揭示了动态变桨后风力机气动载荷提高的原因。     

圆柱绕流远场旋涡结构的数值研究

基于离散涡方法求解非定常、不稳定流场。数值模拟了高雷诺数下圆柱绕流旋涡结构的发展。从流谱图、等涡量线图和涡谱图可以清晰地看出从近场初生的卡门涡街,过渡到远场的二次涡街的过程。计算结果发现：远场离散涡有形成 二个涡的涡对及三个涡的涡对结构的趋势。计算结果说明了流体运动中涡对结构的本质：远场形成的二次涡对及卡门涡街是由于流动本身的动力不稳定而引起的,从而增加对远场尾迹流及涡对结构的理解。