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《哈尔滨工程大学》 2008年
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竖轴H型叶轮及导流罩流体动力性能数值模拟

孙科  
【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。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:O351.2

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前2条
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前2条
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2 吴贤芳;离心泵关死点性能的研究[D];江苏大学;2013年
3 姜劲;竖轴叶轮的流体动力分析与性能优化方法的改进与应用[D];哈尔滨工程大学;2012年
4 平仕良;大功率高压多级离心泵转子动力学分析及其特性研究[D];浙江大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘东霞;逆向工程在闭式叶轮反求设计中的应用研究[D];华北电力大学;2011年
2 胡维岩;基于自主开发的血泵样机性能分析[D];浙江大学;2013年
3 胡彪;小型离心风机机械振动分析及实验研究[D];华中科技大学;2011年
4 刘力群;涡轮增压器压气机叶轮的逆向工程及有限元分析[D];东北大学;2009年
5 邱鑫;空调用贯流风机的设计和优化[D];华中科技大学;2011年
6 唐堃;大型机械搅拌充气式浮选机内部流场的数值模拟[D];兰州理工大学;2009年
7 张琼;基于叶轮结构参数的脱硫浆液泵性能研究与实践[D];华北电力大学(北京);2011年
8 佟亮;基于CFD和RP技术的水泵叶轮设计研究[D];沈阳航空航天大学;2012年
9 沈文金;户用沼液泵的研究与开发[D];兰州理工大学;2011年
10 李猛;CPR1000核二级上充泵水力和结构设计[D];大连理工大学;2013年
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