风力机远尾流的计算研究

基于工程上广泛使用的Park模型构造了一种新的远场尾流计算模型,同时又提出了一种CFD与制动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行了数值模拟.新的尾流计算模型是由一维Park模型进行三角函数修正得到的,CFD方法是结合制动盘理论使用FLUENT提供的Fan边界数值求解整个尾流流场.给出了单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布以及风力机下游不同位置处的径向速度分布,并与风洞实验结果以及Park模型的计算结果进行分析对比,表明本文的两种计算方法都能够较好地捕捉尾流的流场特性.由于新的远场尾流计算模型较之原Park模型能够更准确地反映径向尾流分布,且计算量非常小,因此可作为工程开发的有效工具.制动盘理论结合CFD的方法也能够在计算量相对较小的情况下,准确的反映远尾流的流场信息,这两种方法都可为风场微观选址和风力机排布提供参考依据.     

小型水平轴风力机叶轮流场的数值模拟

应用基于Betz理论的工程算法设计了600W和2kW的水平轴风力机,并采用CFD软件Fluent对风力机叶轮的流场进行了数值模拟,得到的风力机功率与风洞试验结果吻合良好,说明LES湍流模型和自适应网格在小型水平轴风力机的数值模拟中的精确度较高.数值模拟同时显示了风力机流场的压力分布,对叶片的流动分离进行了分析讨论.     

Microtab对风力机叶片翼型气动特性的影响研究

选取S814风力机叶片翼型进行了二维几何建模和计算网格划分,通过求解Navier—Stokes方程对翼型的空气动力特性进行了数值模拟,并与实验数据进行了对比分析,验证了计算模型及求解器的可靠性。对S814翼型后缘加载Microtab进行了气动数值模拟,分析了其流场和空气动力特性。计算结果表明：风力机叶片翼型后缘加载Mierotab可以改变翼型的环量,达到增升的目的,与此同时伴随一定阻力的增加,但升阻比得到小幅的提升。     

风力机叶片翼型的结冰数值模拟研究

研究了风力机叶片翼型的结冰数值模拟方法,及翼型结冰后对其气动性能的影响。求解雷诺平均N-S方程,引入k-ωSST湍流模型封闭方程,获得风力机叶片流场;采用拉格朗日法计算风力机叶片翼型周围的水滴运动轨迹,同时考虑了多尺寸水滴分布的影响,获得翼型表面的局部水收集系数分布;根据质量守恒和能量守恒原理,计算翼型表面的各项热流,获得翼型表面的结冰速率和结冰冰形;考虑到翼型结冰是时间的动态函数,采用多时间步长法完成结冰数值模拟。计算了风力机叶片翼型在不同环境条件和气象条件下的结冰冰形,同时模拟了风力机翼型结冰后周围流场的变化,并与干净翼型的气动特性进行了对比。结果表明,环境温度较高时形成的明冰对翼型气动性能的影响较大,结冰导致翼型升力下降,升阻比减小,最大减小幅度达到61%,同时结冰后的翼型会提前进入失速区,导致桨叶气动性能恶化。     

失速限制型风轮叶片流场的数值模拟

采用双时间步方法在旋转坐标系下求解非定常方程,构造了零偏航条件下风轮叶片流场的数值模拟方法,采用该方法对失速限制型风轮叶片NREL Phase-Ⅵ进行了模拟,其中网格采用重叠网格进行模拟,控制方程为可压缩N-S方程,同时加入了低速预处理技术,模拟的风速范围从13m/s到25m/s,这时候风轮叶片发生失速以限制扭矩输出.本文采用数值方法对风轮叶片在发生失速以后的主要流场特点进行了分析,从风轮扭矩、载荷分布等方面对数值计算结果进行了对比验证.     

平板上有叶片绕流的源项模型

将源项模型应用于叶片涡流发生器的数值模拟中, 以叶片在当地流场中产生的升力作为源项一个分量原型, 并引入了法向力作为源项另一个分量原型.该源项由叶片的形状、大小、位置以及来流条件等参数决定.在数值模拟中, 叶片位于平板上, 其高度约为当地边界层厚度的1/5.在相同计算条件下, 对"升力-法向力"源项模型计算结果和全网格计算结果及实验数据进行比较.源项模型可以得到与全网格数值模拟基本一致的诱导速度场和涡量场, 而网格量减少了65%.      

喷流-外流干扰流场数值模拟

 研究了一种适用于推力矢量的内外流干扰复杂流场的数值模拟方法。主要讨论了能灵活处理复杂外形的重叠-搭接网格技术;适于低速大迎角流动及重叠 搭接网格技术的湍流模型以及是否考虑内流的喷流边界条件的定义。在数值模拟方法研究基础上对矢量推力飞机喷流-外流干扰流场进行了分析研究。包括计及喷管内流的内外流干扰流场数值模拟;给定喷管出口边界条件的喷流-外流干扰流场数值模拟;复杂外形引入喷流边界的数值模拟。以上计算反映了喷流对不同外流情况时的流扬的影响和气动力的影响。数值模拟说明,采用重叠-搭接混合网格处理复杂外形,使用恰当的湍流模型可以较好地模拟喷流-外流的干扰流场。     

垂直轴风力机桨叶气膜加热的数值研究

为观察风力机叶片在前缘开孔和不开孔两种情况下旋转叶片表面成膜情况,基于双向多流管理论模型,采用 MATLAB 软件编写程序及 Fluent 进行数值模拟,将程序计算结果与数值模拟结果进行比对,基于数值模拟分析两种模型在不同孔射流速度下的气动特性及流场情况。结果表明,数值模拟能够很好地反映流场特性,在来流风速及转速一定的条件下,孔射流速度过大会极大地削弱旋转叶片的气动性能,过小又不能形成很好的气膜保护。研究结果对 H 型垂直轴风力机防除冰叶片的设计具有一定的参考意义。     

用于复杂流场数值模拟的重叠／嵌套网格方法

介绍了一类用于复杂流场数值模拟的重叠／嵌套网格方法。它是一类多块结构化网格,可用于有或无多重网格加速收敛技术的有限体积、有限差分等计算。其基本思想是把复杂流场的计算区域化分成相对简单的子区域,每个子区域上的网格可以独立生成;网格界面之间的流场信息交换通过三线性插值来实现,通过修改流场解算方法来排除洞中的点。     

风力机尾流数学模型及尾流对风力机性能的影响研究

为了合理布置风力机，尽量减小风力机尾流的影响，提高风电场效率，使风电场的经济性达到最佳，用风力机AV尾流数学模型计算了风力机尾流区速度分布和处于尾流区的风力机性能所受到的影响，计算结果和实验结果比较表明；AV尾流模型在一定程度上可以模拟风力机尾流区的速度分布，用来计算处于尾流区风力机性能是可行的。     

大型风力机三维空气动力学数值模拟

采用数值模拟的方法,对三种风力机叶片的空气动力学性能进行研究.计算得到了旋转功率随着来流速度的变化曲线,并将所得结果与基于动量叶素理论的工程设计方法结果、风洞实验结果和风场实测结果进行对比.计算结果体现了CFD方法解决这种问题的有效性.所用的数值模拟方法可以广泛地应用到风力机设计和气动性能评价中,所得结果可作为叶片动态特性及气弹稳定性分析的载荷而被应用于风力机性能和可靠性的评估当中.     

基于无网格算法的化学非平衡流数值模拟

为了验证AUSMPW+格式在无网格算法的精度等以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中,首先将AUSMPW+格式推广到无网格算法中,给出了AUSMPW+在无网格算法中的具体形式。其次,将无网格算法应用于带化学反应的多组分气体Euler方程的求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程。最后,对NACA0012跨声速绕流场、高超声速弹丸绕流场、氢气/氧气诱导燃烧流场、球锥高超声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟。数值模拟结果与相关文献计算结果和实验结果吻合较好,表明了AUSMPW+格式在无网格算法中表现较高精度。同时,采用无网格算法能较好地模拟复杂化学非平衡流场,正确分辨复杂的物理现象,为化学非平衡流数值模拟提供一种新的算法,拓宽了无网格算法的应用范围。     

桨扇三维流场的椭圆型微分方程组计算网格生成法

为了对桨扇周围的跨音流场有深入的理解,用计算流体力学方法在巨型计算机上进行流场数值模拟是一条重要途径。因此引起学术界的重视。桨扇叶片具有又弯又扭的三维形状,就决定了桨扇周围流场的三维性质,给桨扇跨音流场的数值模拟带来很大的困难。为了数值求解过程中改善解的稳定性和收敛性,以及为了提高数值解的精度,就必须妥善解决三维网格系统生成问题。     

螺旋桨流场Euler/NS数值解对比分析

采用多块点对点网格生成技术,生成螺旋桨流场空间计算网格。针对不同前进比,分别求解Euler和NS方程对螺旋桨流场进行数值模拟,并与实验结果进行了对比分析。研究发现无粘和有粘的计算结果均接近于实验结果,因此基于Euler方程的流场数值模拟更适用于工程设计。     

固体火箭发动机燃烧室三维流场数值模拟

利用ＳＩＭＰＬＥ方法数值求解层流Ｎ－Ｓ方程，模拟了具有移动边界的固体火箭发动机燃烧室内的三维流场。网格划分采用交错网格技术，流场计算时不进行网格划分，而是直接读取网格点的值，将网格划分与流场计算分开，解决了现有计算机内存不够的问题，计算获得了满意结果。     

超声速和高超声速横向喷流数值模拟

为了解横向喷流的干扰影响和喷口附近的流场结构,采用分块对接网格和“0”型网格技术,数值求解N—S方程来模拟超声速和高超声速流场中横向喷流的干扰流场。对两种尖拱弹身外形的超声速和高超声速喷流干扰流场进行了数值计算,计算结果与风洞实验数据吻合一致。在此基础上,开展了某型导弹多喷构型干扰流场的数值模拟,得出一些横向喷流数值模拟的结论。     

带冷气掺混的涡轮级流场数值模拟

为了实现对带冷气掺混的涡轮级流场的数值模拟 ,利用 Jameson有限体积方法在 H型结构化网格上求解 Reynolds平均 Navier-Stokes方程组。根据混合平面假设实现涡轮级 (导向叶片 /转子 )动静流场的联算。采用一维等熵流动模型求解冷却气体在冷却孔出口的流动参数 ,并通过在边界注入相应的通量引入冷却气体对主流流场的影响。通过对典型算例计算 ,获得与实验吻合的结果。验证了本文方法的可行性和计算精度。基于此 ,本文对亚音速和跨音速两组涡轮级的带冷气掺混的三维流场进行了粘流流场和换热分析 ,获得了合理的计算结果。     

开槽尾流板对跨声速涡轮平面叶栅流场影响的实验

采用数值计算和实验相结合的方式研究了开槽尾流板对跨声速涡轮平面叶栅流场周期性的影响。通过数值计算研究了不同开孔率（10%、15%、30%、50%）和偏转角度（70°、71°、72°）下尾流板对叶片表面及叶栅流道出口压力分布的影响,并通过实验验证了尾流板对流道出口流场周期性的改善作用。结果表明:无尾流板时叶片表面压力分布明显偏离周期性计算结果,且流道出口压力分布的周期性误差较大;尾流板偏转角度和开孔率会影响叶片表面及叶栅流道出口的压力分布,适当调节尾流板参数能改善流场周期性;安装开孔率为50%,偏转角度为70°的尾流板时各流道出口的压力分布一致性最好且最接近周期性计算结果,计算和实验结果的周期性误差较无尾流板时分别降低47.6%和28.1%。      

超声速底部喷流干扰流场数值模拟

数值模拟了不同马赫数,不同喷流压比下的轴对称超声速底部喷流干扰流场,采用LU隐式算法进行数值求解并引入了Baldwin-Lomax代数湍流模型.采用分区网格将弹身与底部区域合为一个整体进行计算,得到了清晰的流场结构和弹体表面及底部的压力分布,并与试验结果进行了比较.数值模拟结果表明超声速底部喷流干扰流场结构复杂,有、无喷流时底部流场有很大不同, 喷流对底压分布有明显影响,进而对轴向力系数影响显著.     

尖拱弹身横向喷流数值模拟

本文通过数值求解层流Navier—Stakes方程来模拟超声速流场中横向超声速喷流的干扰流场，采用分块对接网格和“O”型网格技术，精确模拟喷口截面形状并生成高质量的贴体计算网格，对尖拱弹身的横向超声速喷流的干扰流场进行了数值模拟，研究了喷口附近的流场结构、涡系结构、波系结构及流动分离等流场特性，得到喷流流场的干扰效应，计算结果与实验值吻合较好。