旋翼尾流与地面干扰时地面涡现象的研究

用Ｎ－Ｓ方程对近地飞行时旋翼尾流与地面干扰时产生的地面涡现象进行了数值计算旋翼对流场的作用由分布在特定区域内的动量源项模拟结果表明，旋翼尾流撞到地面后的卷起和轴向流动的拉伸作用是形成地面涡的原因；地面边界层形成的二次分离涡向地面涡内输入（与尾流所携带的涡量）相反的涡量，而使地面涡保持平衡；地面涡的存在和运动使旋翼附近流场大大改变     

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.      

两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

目前细长柔性圆柱体涡激振动响应的研究方法主要包括实验方法、计算流体动力学方法以及半经验模型方法. 鉴于实验方法研究成本较高、计算流体动力学方法计算时间较长,本文基于尾流振子模型对线性剪切来流下两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性进行了半经验模型方法研究. 先建立了柔性圆柱体结构振子以及尾流振子之间的耦合模型,紧接着基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解. 对不同剪切参数下柔性圆柱体涡激振动响应的振动波长、振动频率、振动位移以及响应频率随时间的变化特性等参数进行了分析. 分析结果表明:圆柱体的涡激振动响应由驻波和行波混合组成. 当无量纲弯曲刚度较小时,在圆柱体两端附近,驻波占主导;而在圆柱体中间段附近,行波占主导. 当无量纲弯曲刚度较大时,在圆柱体整个长度区间上均为驻波占主导. 随着剪切参数的增大,振动位移以及振动波长均逐渐减小,而振动频率和频率带宽均逐渐增大.      

圆柱涡激振动的结构-尾流振子耦合模型研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{max}^ast$随着质量阻尼参数$left( {m^ast + C_A } right)zeta$的变化规律,给出了预测$A_{max }^ast$值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态.在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.      

圆柱绕流流场结构的大涡模拟研究

为进一步揭示绕流现象的形成机理,本文分别对处于层流稳态区、尾流过渡区、剪切层转换区Re分别为26、200、1.4×105的三种典型流态下的单圆柱绕流进行了二维数值模拟研究。Re为26时应用层流模型直接求解N-S方程,而Re分别为200、1.4×105时使用大涡模拟的方法进行计算。数值模拟很好地再现了稳定的涡旋结构、周期性交替脱落的卡门涡街结构、不规则的涡旋结构,在此基础上分析了尾流结构的基本特征及其压强分布规律、平均的流场特性、积分参数(如升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔等),并与有关研究成果进行了对比。研究发现,采用不同流动介质时流场特性有所差异,空气为介质时的计算结果更符合实验的成果,而水为介质时计算结果偏差较大,这主要是由尾流涡旋产生的不合理负压造成的。     

4:1椭球体分离流动湍流特性的试验研究

使用六线涡量探头,对α=30°条件下绕（4:1）椭球体分离流动的湍动能u’2,v’2,w’2,雷诺应力u’v’和涡量Ωx等进行了详尽的测量.应用频谱分析的方法揭示了绕（4:1）椭球体分离流内主附着涡外缘剪切层上的离散小涡的特性.     

基于CFD流态分析技术的座便器虹吸管道优化设计

在Fluent软件中应用RNG $k$-$\varepsilon$湍流模型及流体体积函数(VOF)对座便器内部三维湍流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值模拟,得到了座便器内流场三维流动形态,研究了座便器虹吸管内流动规律,分析了虹吸管形状对流速分布、压力分布及虹吸性能的影响,以三维湍流场的分析结果为依据,实现了座便器虹吸管道的优化设计. 通过PIV测试数据验证了三维湍流数值模拟结果的准确性.     

非对称槽道中涡旋波的特性研究

利用PIV流场显示技术，对振荡流体在非对称槽道中涡旋波的产生、发展和消失的规律进 行了实验研究和分析，测得了涡旋波流场的速度矢量图，阐明了涡旋波流场周期性变化的特 点. 结合涡动力学方程，深入分析并揭示了做周期性运动的流体能在槽道中产生波的特性这 一规律，从中发现：流体周期变化的非定常性和不对称的槽道结构是形成涡旋波流动的主要 因素. 本文对涡旋波流场中各个旋涡的速度分布和涡量进行了测量和计算，分析了涡旋波 强化传质的机理，并研究了Re数对涡旋波流动的影响     

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。     

复杂边界附近气泡的动态特性研究

本文假设气泡周围流场为无粘、无旋、不可压缩的理想流体,基于势流理论,运用边界元法模拟近边界水下爆炸气泡的动力学特征,建立气泡、壁面以及自由面三者之间复杂耦合动力学模型,在气泡运动模拟过程中引入数值光顺技术及弹性网格技术(EMT),避免因网格扭曲而导致的数值发散,开发相应的三维计算程序,并与自由表面附近气泡运动的实验数据进行对比分析,计算结果表明本文的计算方法及程序具有较高的精度.在此基础上,用本文开发的三维程序模拟了单个及多个气泡与自由表面及圆筒等复杂边界的相互作用,其中包括水面漂浮结构和水下结构,气泡在自由表面及结构的联合作用下呈现出强非线性.本主文旨在为相关复杂边界附近气泡动力学特性研究提供参考.     

大型海上风力机尾迹区域风场分析

随着世界范围内海上风电场的不断兴起及海上风电场设计规模的日趋庞大,大型海上风力机尾迹区域风场特征的研究对于海上风电场的优化布局有着重要的指导意义。本文基于三维Navier-Stocks控制方程和适用于旋转流场分析的RNGk-ε湍流模型,采用滑移网格技术对美国可再生能源实验室(NREL)的5 MW海上风力机的性能及其尾迹区域的风场特征进行了较为系统的数值模拟。通过将不同风速下风力机输出功率的数值结果与NREL的设计参考数据进行对比,三维数值模型的有效性得到了很好地验证。此外,在此基础上进一步研究了大型海上风力机额定风速下及不同风轮转速下尾迹区域平均风速的分布特征,并得到了一系列具有参考价值的重要结论。     

一种风力机气动计算的全自由涡尾迹模型

采用全自由方式建立风力机尾流场的涡尾迹模型,引入“虚拟周期”的概念,并发展一种自适应松弛因子方法,从而改善了自由尾迹迭代的稳定性,提高了迭代收敛速度。利用建立的自由涡尾迹模型,计算了风力机叶片的尾流场结构、气动性能及叶片载荷,并与实验结果进行了对比分析。结果表明,尖速比越大,自适应松弛因子方法对缩小模型计算时间越有效;全自由涡尾迹模型能准确给出风力机尾流场的结构,包括尾迹的扩张以及叶尖涡和叶根涡的产生、发展和耗散的过程,风轮扭矩与实验数据吻合;叶片载荷分布的计算结果在低风速下与实验值基本一致,但是在大风速下差别较大,说明需要一个准确的失速模型。     

复杂工况下的大型风力机气动性能和尾迹研究Investigation of aerodynamic performance and wake of the large scale wind turbine in complicated conditions

在复杂工况下,大型风力机非定常特性会更严重,导致风力机气动性能变化和尾迹预测更加复杂。本文主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,基于自由涡尾迹方法,嵌入复杂工况的模块,加入了动态失速模型和三维旋转效应模型修正,实现了复杂工况数值模拟计算,比较了不同复杂工况的气动载荷和尾迹形状。最后,得出了风力机在复杂工况下的气动性能、载荷和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的气动载荷超调量和迟滞时间。对推进自由涡尾迹方法应用于风力机工程的大批工况载荷计算,提高大型风力机的载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。     

Offshore floating wind turbine and its dynamic problems

Green energy sources and ocean wind power are plentiful in deep sea. More and more offshore wind power plants are constructed in the deep water over hundred meters below the surface. While offshore floating wind turbine system is working, wind turbine, floating foundation, and mooring system affect each other with wind, waves, and currents acting on them. Various offshore floating wind turbine systems and the encountered environmental loads are briefly reviewed and discussed. It is difficult and crucial to comprehensively analyze the aerodynamic-hydrodynamic-service system-structure under the coupling effect of offshore floating wind turbine system. The environmental flow field, structure scale, and rational applications of theories and approaches should be well considered in advance.     

Analogy between a flapping wing and a wind turbine with a vertical axis of revolution

Based on an analysis of available experimental data, the hypothesis about an analogy between a flapping wing and a wind turbine of the Darrieus rotor type is justified. It is demonstrated that the torque on the shaft of the Darrieus rotor is generated by thrust forces acting on the blades in a pulsed flow. A conclusion is drawn that it is necessary to perform aerodynamic calculations of blades on the basis of the nonlinear theory of the wing in an unsteady flow with allowance for the airfoil thickness. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 50, No. 2, pp. 152–155, March–April, 2009.     

Visualization by PIV of dynamic stall on a vertical axis wind turbine

The aerodynamic behavior of a vertical axis wind turbine (VAWT) is analyzed by means of 2D particle image velocimetry (PIV), focusing on the development of dynamic stall at different tip speed ratios. The VAWT has an unsteady aerodynamic behavior due to the variation with the azimuth angle θ of the blade’s sections’ angle of attack, perceived velocity and Reynolds number. The phenomenon of dynamic stall is then an inherent effect of the operation of a VAWT at low tip speed ratios, impacting both loads and power. The present work is driven by the need to understand this phenomenon, by visualizing and quantifying it, and to create a database for model validation. The experimental method uses PIV to visualize the development of the flow over the suction side of the airfoil for two different reference Reynolds numbers and three tip speed ratios in the operational regime of a small urban wind turbine. The field-of-view of the experiment covers the entire rotation of the blade and almost the entire rotor area. The analysis describes the evolution of the flow around the airfoil and in the rotor area, with special focus on the leading edge separation vortex and trailing edge shed vorticity development. The method also allows the quantification of the flow, both the velocity field and the vorticity/circulation (only the results of the vorticity/circulation distribution are presented), in terms of the phase locked average and the random component.     

新型升阻混合型垂直轴风力机气动特性研究

考虑S型与H型垂直轴风力机的特点,设计了一种新型升阻混合型垂直轴风力机,采用CFD法计算其启动与气动性能。结果表明,原始H型垂直轴风力机数值结果与试验值在各工况下吻合良好;新型升阻混合型垂直轴风力机不同方位角下的启动力矩均大于原始H型风力机,最小及最大值分别提升232%和83.3%;S型风轮输出功率随叶片重叠比增加而减小,完全重叠时输出功率基本为0;新型升阻混合型垂直轴风力机最大风能利用率为0.298,具有更复杂的流场特性。     

Aeroelastic analysis of large horizontal wind turbine baldes

A nonlinear aeroelastic analysis method for large horizontal wind turbines is described. A vortex wake method and a nonlinear finite element method (FEM) are coupled in the approach. The vortex wake method is used to predict wind turbine aerodynamic loads of a wind turbine, and a three-dimensional (3D) shell model is built for the rotor. Average aerodynamic forces along the azimuth are applied to the structural model, and the nonlinear static aeroelastic behaviors are computed. The wind rotor modes are obtained at the static aeroelastic status by linearizing the coupled equations. The static aeroelastic performance and dynamic aeroelastic responses are calculated for the NH1500 wind turbine. The results show that structural geometrical nonlinearities significantly reduce displacements and vibration amplitudes of the wind turbine blades. Therefore, structural geometrical nonlinearities cannot be neglected both in the static aeroelastic analysis and dynamic aeroelastic analysis.     

基于涡尾迹方法的风力机气动性能分析

基于(势流)涡尾迹方法开发了水平轴风力机叶片气动性能分析程序,采用固定尾迹涡模型和自由尾迹模型分别对气动设计性能进行计算分析,得到风力机设计工况下的涡位置、诱导因子、功率系数及扭矩系数等气动性能参数,并与设计结果对比。结果表明,涡尾迹方法能够快速准确地计算风力机叶片气动性能参数,对风力机叶片气动分析,固定尾迹涡模型较自由尾迹模型计算时间短,具有较好的实用性。