竖轴H型叶轮及导流罩流体动力性能数值模拟

论文摘要

H型叶轮是竖轴风力发电机组或海(潮)流发电机组中的关键设备。它的主要特点是风或水流的方向垂直于叶轮的主轴和叶片,叶轮的旋转不受来流方向的影响,叶片结构简单,易于实现变角度控制和大型化,所以近年来在风能和潮流能发电技术领域重新受到人们的关注。由于H型叶轮工作过程中流场、尾涡系及其作用于叶片上的载荷呈周期性的非对称非稳态变化,流动干扰复杂,叶轮流体动力学性能设计中的基础力学问题至今没有得到很好的解决。因此,深入研究H型叶轮的流体动力学理论与数值模拟方法,探索H型叶轮的流场特性、流体动力学机理和性能,对于准确的认识H型叶轮的特性和提高设计能力具有重要的理论和实际意义。H型叶轮流体动力性能数值预报通常采用流管法和涡方法。流管法在整体性能计算上简单快捷,但预报叶片瞬时载荷困难;涡方法能够计算瞬时载荷和涡系干扰,但在叶片出现大攻角流动分离时计算结果不准确。而近年来出现的粘性CFD方法能够弥补前两种方法的缺点。本文基于全粘性CFD方法和Fluent软件,对H型叶轮粘性流场的数值模拟方法,以及叶片、叶轮和导流罩的流体动力载荷与性能开展研究。首先研究H型叶轮流场的数值模拟方法。针对叶片截面研究典型对称翼型定常和非定常绕流的数值模拟问题,详细探讨了粘性CFD理论中相关计算条件和处理方法。在分析H型叶轮的运动特征和CFD滑移网格模型与动网格模型特点的基础上,提出UDF控制滑移网格模型方法。通过Strickland风力机和Kurushima潮流水轮机模拟结果与试验结果和其他方法的计算结果对比,表明滑移网格模型可以详细预报叶片的瞬时载荷,尤其在低速比工况的性能计算上有明显优势。通过摆线式水轮机的模拟结果与文献中试验结果对比,表明UDF控制滑移网格模型可以有效预报变偏角H型叶轮的功率特性,与动网格模型相比,该模型能够降低网格数量,保证网格质量,节省计算时间。然后考虑粘性流场中运动叶片的动力学问题。应用UDF建立叶片的受力平衡方程和力矩平衡方程,实现了带惯性力系的H型叶轮的数值模拟,给出了被动变偏角H型叶轮的叶片偏角变化规律和叶轮功率特性。通过弹簧控角水轮机的计算结果与实验结果对比,表明该方法可以有效预报叶片的运动特性及叶轮的功率特性。另外,研究叶轮的总体性能计算问题。提出了变偏角H型叶轮功率计算修正公式,将叶片力偶矩对叶片自身小轴的功计入叶轮转换的能量中。研究表明,修正项在低速比时对功率的影响很小,在高速比时对功率的影响较大,为更准确的计算叶轮性能提供了一种途径。最后,研究H型叶轮性能的强化问题。提出了适合于往复流特性的导流罩设计方法以及导流罩带扩张门的设计思想,模拟了导流罩流场特性以及导流罩加装固定偏角风力机、摆线式水轮机和弹簧控角水轮机模型的流场,给出了导流罩与叶轮之间的流体动力学干扰规律。数值计算和模型实验结果比较表明,导流罩可以稳定叶轮下游盘面流场,扩张门能够明显提高通过导流罩内部的流量;不同的H型叶轮安装于导流罩内时,导流罩的型线、收缩比、导流罩与叶轮的间隙等参数对叶轮的功率特性和叶片的流体动力特性的影响不同,带扩张门的导流罩优于不带扩张门的导流罩。弹簧控角水轮机功率特性的实验曲线证明,带扩张门的导流罩可以将叶轮的能量利用率峰值提高47.8%,同时扩大了叶轮高效运转的速比范围。本文的研究工作为各种类型H型叶轮绕流问题提供了全粘性数值模拟方法,对于深入研究H型叶轮的流体动力学机理,优化叶轮性能和设计,提高叶轮效率具有重要的理论意义和工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究工作的背景及意义
• 1.2 竖轴叶轮发展简史
• 1.3 竖轴叶轮流体性能研究现状
• 1.3.1 理论研究现状
• 1.3.2 实验研究现状
• 1.4 导流罩研究进展
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 CFD理论及数值方法研究
• 2.1 CFD基础理论
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 湍流模型
• 2.1.3 壁面函数
• 2.1.4 方程的离散和求解方法
• 2.1.5 初边值条件
• 2.2 动边界计算模型
• 2.2.1 模型特点和适用范围
• 2.2.2 滑移网格模型
• 2.2.3 动网格模型
• 2.3 机翼定常和非定常绕流数值模拟
• 2.3.1 受力分析
• 2.3.2 定常绕流
• 2.3.3 非定常绕流
• 2.4 本章小结
• 第3章 固定偏角H型叶轮数值模拟
• 3.1 叶轮受力及性能参数
• 3.2 滑移网格应用方法
• 3.3 Strickland风力机性能模拟
• 3.3.1 实验概况及模型参数
• 3.3.2 叶片瞬时受力
• 3.3.3 子域边界的影响
• 3.3.4 叶轮功率性能
• 3.4 Kurushima潮流水轮机性能模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 变偏角H型叶轮数值模拟
• 4.1 摆线式叶轮性能描述
• 4.1.1 叶轮运动学性能
• 4.1.2 叶轮动力学性能
• 4.2 UDF控制滑移网格
• 4.3 计算模型验证
• 4.3.1 实验模型参数
• 4.3.2 计算结果与分析
• 4.4 摆线式水轮机性能分析
• 4.4.1 叶片偏角和攻角变化规律
• 4.4.2 叶片瞬时载荷
• 4.4.3 叶轮能量利用率
• 4.4.4 能量利用率修正
• 4.5 本章小结
• 第5章 带惯性力系的 H型叶轮模拟
• 5.1 弹簧控角叶轮及惯性力系
• 5.1.1 叶片运动控制机构
• 5.1.2 叶片运动与恢复力矩
• 5.1.3 叶片惯性力系平衡方程
• 5.2 弹簧控角水轮机模型实验
• 5.3 弹簧控角水轮机性能数值模拟
• 5.3.1 叶片偏角变化
• 5.3.2 叶片瞬时功率变化
• 5.3.3 叶轮功率曲线
• 5.4 本章小结
• 第6章 H型叶轮导流罩设计及性能研究
• 6.1 导流罩原理
• 6.2 导流罩型线设计
• 6.2.1 S型线
• 6.2.2 W型线
• 6.2.3 线型改进
• 6.3 导流罩性能数值模拟及分析
• 6.3.1 数值模拟参数
• 6.3.2 导流罩性能分析
• 6.4 导流罩扩张门设计
• 6.5 导流罩与叶轮的匹配
• 6.5.1 固定偏角H型叶轮加导流罩
• 6.5.2 主动变偏角H型叶轮加导流罩
• 6.5.3 被动变偏角H型叶轮加导流罩
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢