极端风剪切风况下的风电叶片载荷智能控制流动机理研究EI北大核心CSCD

本文以UpWind/NREL 5 MW为参考风力机,外部风况为IEC标准的极端风剪切(EWS),在自主开发的基于柔性尾缘襟翼(DTEF)的"智能叶片"整机气动伺服弹性仿真平台的基础上,研究了基于DTEF智能叶片系统在EWS情况下叶根所受极限载荷的变化情况,并同时分析了其对塔架,传动机构及变桨机构的影响。结果表明:采用该基于柔性尾缘襟翼的智能叶片系统不仅有效地减少了叶根所受极限载荷,同时对塔架,传动机构及变桨机构等受到的极限载荷都发挥了非常积极的作用。最后,详细分析了该控制系统背后的流动控制机理。结果表明:尾缘襟翼的主动作用有效地减弱了由于极端风剪切引起的叶片与流动之间较强的流固耦合作用。     

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...     

不同传感信号对风电叶片载荷智能控制影响研究

本文在自主搭建的DTEF(柔性尾缘襟翼)"智能叶片"仿真实验平台的基础上,讨论了三种不同传感信号方案,即信号来自叶片挥舞方向加速度,叶尖位移和叶根挥舞力矩,对控制效果影响。首先,本文分析了四组不同位置处加速度信号对控制效果的影响,接着对比了三种传感器信号方案的优劣,最后详细分析了相关流动控制机理。通过详细的讨论,本文得出结论:1)由于复杂流动分离和变桨作用,导致风力机叶片在Ⅱ区运行时选取加速度传感信号越靠近叶尖,控制效果越差,与Ⅲ区运行时相反;2)三种传感器信号方案中,选取叶根挥舞力矩为传感信号时控制效果最佳,相比原有主机控制最大降低载荷12.0%~22.5%;3)DTEF的作用扰乱了控制前叶片流动-结构间较好的同步性,削弱了叶片系统间的气弹耦合作用,从而有效地减少了叶轮受载。     

凹槽对风力机叶片尾缘襟翼性能的影响

本文采用单方程S—A湍流模型计算了尾缘襟翼与主体翼型连接处的凹槽对二维翼型气动特性及流场的影响。选用带有30％弦长固定偏斜20°角度尾缘襟翼的NACA0015翼型作为研究对象,分析了流场的相关特性。数值计算结果表明：凹槽对于带有尾缘襟翼的二维翼型气动特性有一定影响,在负攻角及较小正攻角时,减小翼型升力系数;随着攻角增大...     

后掠叶片锯齿尾缘宽频噪声实验研究

本文采用线性传声器阵列分别对具有常规尾缘及锯齿形尾缘的后掠叶片的尾缘噪声进行了实验测量;运用CLEAN-SC数据处理方法精确地识别出叶片尾缘噪声的声学参数.并且基于多组实验结果的对比,深入研究了不同的尾缘锯齿长度、周期、几何比例对后掠叶片尾缘噪声降噪效果的影响.实验结果表明:在低湍流度、自由来流情况下,在总声压级降噪方...     

多排叶片内部流动以及叶片排与排气系统相互作用研究

本文采用高分辨率格式和多块多网格方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程,数值模拟多排叶片内的三维粘性流动;使用数值激盘模拟叶片排的存在,研究叶片排与非轴对称排气部件之间的相互作用以及复杂的内部流动。文中描述了数值方法,给出了NASA透平导叶和单级透平内部流场的数值结果及其与相应实验结果的对比,也给出了多级透平内部流场的数值结果,以及透平与排气部件之间的耦合流场的结果。     

叶片出口角对离心泵流动诱导噪声的影响研究

文采用CFD与声学求解器耦合计算的方法,对一离心泵在不同叶片出口角下的内部流场及其外辐射声场进行了数值计算.通过对比不同出口角下离心泵模型的水力特性、流场内特性及压力脉动来分析叶片出口角对离心泵流场及流动诱导噪声的影响。流场计算结果表明,出口角从18°增加到39°,扬程升高6.48%而效率下降10.89%;出口角增加,导致基频处压力脉动强度降低而二阶谐频处脉动强度增加,脉动总强度增加。蜗壳外表面在二阶谐频处振速明显高于其它频率下的振速.外声场声压级的指向性曲线显示,出口角增大,声压级增大,出口角为39°时声压级比出口角为18°时声压级高出约8.6 dB.     

多级轴流压气机内的流动机理研究

本文对某多级轴流压气机的两级内部流场进行了CFD数值模拟,通过计算结果和通流计算值对比,分析了多级轴流压气机的级间匹配特性,说明该两级压气机的总体匹配特性是合理的.但是,在两端壁附近也存在一些差异.通过对其内部流场的剖析发现,第11级静叶的吸力面两端和第12级动叶吸力面根部均存在一定程度的分离,文中解释了存在分离原因以及分离对压气机匹配特性的不利影响.     

在高负荷涡轮叶栅中应用弯叶片控制流动分离的实验研究

本文选择叶型折转角为113°和160°的两种高负荷涡轮平面叶栅,分别开展了直叶栅(STR)和正/反弯曲叶栅的流场测量和流动显示研究,讨论了叶片弯曲对壁面流谱和流动损失的影响.实验结果表明:当叶型折转角为113°时,适当的正弯叶片(DHP)可以减少叶栅流动损失;当叶型折转角为160°时,适当的反弯叶片(DHN)能提高叶栅气动性能.     

涡轮叶片前缘阵列冲击冷却流动及传热特性数值研究

本文采用SST湍流模型模拟了类前缘通道内蒸汽射流阵列冲击冷却的流动与传热特性,分析了雷诺数(Re=10000～50000)、孔径比(d/H=0.5～0.9)和孔间距比(S/H=2～6)对流动及传热性能的影响规律,得到了相应的传热和摩擦关联式。结果表明:在不同雷诺数下,d/H从0.5到0.9变化时,通道压力损失系数降低了76%～79%,靶面平均努塞尔数降低了45%～49%;S/H从2增至6时,通道压力损失系数增加了1.64～1.92倍,靶面平均努塞尔数增加了54%～64%;增大d/H、减小S/H可有效提高类前缘通道蒸汽冲击冷却的综合热力系数。本文研究结果可为未来先进燃气轮机高温涡轮叶片蒸汽冷却结构的设计提供参考和借鉴。     

旋转离心叶轮与叶片扩压器间耦合流动的数值分析

以离心压气机内部动静部件耦合的非定常流场为研究对象，本文提出了动静耦合统一正命题型式，采用κ－ε紊流模型、同步计算动静耦合流场的方法，分别对下同流量工况下离心叶轮与叶片扩压器内部非定常流动进行了数值计算。计算结果与激光多普勒测量结果进行了比较：在设计工况下，离心叶轮与叶片扩压器相互匹配较好，而在非设计工况下，流道内流动趋向恶化。说明计算结果是有一定的可信度；计算结果同时说明，只有采用非定常算法，才有可能较好地描述动静部件耦合的流场。     

叶片弦向倾斜对损失发展的影响及叶片反弯降低损失机理的研究

早在六十年代初期,Ｓｍｉｔｈ提出了弦向倾斜叶片￣［１］。叶片的这种倾斜集叶片的后掠（叶片展向与气流不垂直）和上反（叶片表面与端壁斜交）于一身。根据理论分析可知,弦向倾斜叶片与周向倾斜叶片比较,在相同倾斜角下,它更能有效地抑制通道涡的形成和发展￣［２］。但是,到现在为止还没有实验数据证实这一计算结果。本文继文献￣［３］详细测量了弦向倾斜叶片叶栅由栅前至栅后诸截面上的气动参数。实验结果表明,弦向倾斜对损失的发展起到了与周向倾斜相类似的作用,但是前者比后者减小了叶栅进口段的流向逆压梯度,从而降低了二次旋涡损失。本文还测量了大转角常规直叶栅与反弯叶片叶栅端壁与叶片表面上的静压分布,探讨了反弯叶片降低损失的原因,认为：减小叶栅进口段流向逆压梯度,在叶片吸力面前部形成垂直于端壁的平行静压等值线、在中部形成反“Ｃ”型静压等值线,以及在流道内建立沿叶高的反“Ｃ”型静压分布,是反弯叶片降低损失的三要素。     

涡轮转子凹槽叶尖控制泄漏流动的数值研究

明晰涡轮转子凹槽叶尖控制泄漏流动的物理机制,对凹槽叶尖结构优化和提升涡轮效率有重要意义。本文数值研究了跨音速高压涡轮凹槽叶尖的泄漏流动特性,对比分析了其与平叶尖泄漏损失和流动结构的差异,并研究了凹槽腔内流动结构改变对泄漏流动的影响。结果表明,凹槽叶尖对泄漏流动的堵塞分两个区域,分别受吸力侧空腔涡和削刮涡影响,改变外机匣相对转动速度会影响凹槽腔内流动结构的范围和强度,进而影响泄漏流动特性。本文的研究结果可为凹槽叶尖的设计提供指导。     

基于孔内流动机理的气膜冷却界面模型

气膜冷却是燃气轮机中重要的冷却方式。本文关注孔内流动机理,发现了一个我们称之为单向弱耦合的现象,即孔内流动会改变下游冷却效果,而主流条件的改变对于孔内出口面附近某一界面以下的流动没有影响,该界面被称之为特征界面。这一现象显著减少了孔内流动所依赖参数的数目,简化了气膜冷却的建模过程。基于这一现象,本文提出了气膜冷却界面模型。该界面模型引入卷积神经网络(CNN)模型,基于四个反映参数预测特征界面上流场分布,并将其作为冷却射流的入流边界条件,在CFD中计算下游冷却效果。将界面模型应用于平板及端壁气膜冷却算例,显示了较强的通用性和较高的精度,同时将计算效率提升了一个数量级。     

叶片锯齿尾缘对降低空调室外机气动噪声影响的试验研究

依据现有的叶片尾迹宽度计算公式,计算了一空调室外机风机叶片的尾迹宽度,然后,以此尾迹宽度为参考基准,设计了两组不同形状和大小的锯齿形叶片尾缘,制作并试验研究了锯齿形尾缘对风机气动噪声的影响规律。结果表明,锯齿尾缘有明显降噪效果,正弦形锯齿较正三角形更好。锯齿尾缘通过降低宽频噪声降噪,而对离散噪声影响很小。采用与叶片尾迹...     

风力机叶片动态绕流结构的PIV实验研究

采用轴编码器锁相周期采样技术,在风洞开口实验段对旋转风力机叶片动态绕流结构进行了PIV实验,通过Insight 3G平均背景消噪和相关分析获得速度矢量信息,应用Tecplot处理得到相应的流线和速度云图.初步揭示了叶片动态绕流的特征变化及其绕流结构随风轮转速的变化规律,并探索了流动特征与风轮功率系数的对应关系.由于附着涡的诱导效应,翼型下游存在速度亏损区.随着转速的增加,附着涡影响区域增大,翼型下游速度亏损区域增大,亏损幅度也增大.在绕流结构中,切向速度分量占主导地位,轴向速度分量较小.叶片动态绕流特征的研究为分析风轮流场涡系的干涉及叶片动态失速等复杂流动问题提供了实验基础.