豎軸H型葉輪及導(dǎo)流罩流體動力性能數(shù)值模擬.pdf

1、H型葉輪是豎軸風力發(fā)電機組或海(潮)流發(fā)電機組中的關(guān)鍵設(shè)備。它的主要特點是風或水流的方向垂直于葉輪的主軸和葉片，葉輪的旋轉(zhuǎn)不受來流方向的影響，葉片結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)變角度控制和大型化，所以近年來在風能和潮流能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域重新受到人們的關(guān)注。由于H型葉輪工作過程中流場、尾渦系及其作用于葉片上的載荷呈周期性的非對稱非穩(wěn)態(tài)變化，流動干擾復(fù)雜，葉輪流體動力學(xué)性能設(shè)計中的基礎(chǔ)力學(xué)問題至今沒有得到很好的解決。因此，深入研究H型葉輪的流體動力學(xué)理論與

2、數(shù)值模擬方法，探索H型葉輪的流場特性、流體動力學(xué)機理和性能，對于準確的認識H型葉輪的特性和提高設(shè)計能力具有重要的理論和實際意義。 H型葉輪流體動力性能數(shù)值預(yù)報通常采用流管法和渦方法。流管法在整體性能計算上簡單快捷，但預(yù)報葉片瞬時載荷困難；渦方法能夠計算瞬時載荷和渦系干擾，但在葉片出現(xiàn)大攻角流動分離時計算結(jié)果不準確。而近年來出現(xiàn)的粘性CFD方法能夠彌補前兩種方法的缺點。本文基于全粘性CFD方法和Fluent軟件，對H型葉輪粘性流場

3、的數(shù)值模擬方法，以及葉片、葉輪和導(dǎo)流罩的流體動力載荷與性能開展研究。 首先研究H型葉輪流場的數(shù)值模擬方法。針對葉片截面研究典型對稱翼型定常和非定常繞流的數(shù)值模擬問題，詳細探討了粘性CFD理論中相關(guān)計算條件和處理方法。在分析H型葉輪的運動特征和CFD滑移網(wǎng)格模型與動網(wǎng)格模型特點的基礎(chǔ)上，提出UDF控制滑移網(wǎng)格模型方法。通過Strickland風力機和Kurushima潮流水輪機模擬結(jié)果與試驗結(jié)果和其他方法的計算結(jié)果對比，表明滑移網(wǎng)

4、格模型可以詳細預(yù)報葉片的瞬時載荷，尤其在低速比工況的性能計算上有明顯優(yōu)勢。通過擺線式水輪機的模擬結(jié)果與文獻中試驗結(jié)果對比，表明UDF控制滑移網(wǎng)格模型可以有效預(yù)報變偏角H型葉輪的功率特性，與動網(wǎng)格模型相比，該模型能夠降低網(wǎng)格數(shù)量，保證網(wǎng)格質(zhì)量，節(jié)省計算時問。 然后考慮粘性流場中運動葉片的動力學(xué)問題。應(yīng)用UDF建立葉片的受力平衡方程和力矩平衡方程，實現(xiàn)了帶慣性力系的H型葉輪的數(shù)值模擬，給出了被動變偏角H型葉輪的葉片偏角變化規(guī)律和葉輪

5、功率特性。通過彈簧控角水輪機的計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比，表明該方法可以有效預(yù)報葉片的運動特性及葉輪的功率特性。 另外，研究葉輪的總體性能計算問題。提出了變偏角H型葉輪功率計算修正公式，將葉片力偶矩對葉片自身小軸的功計入葉輪轉(zhuǎn)換的能量中。研究表明，修正項在低速比時對功率的影響很小，在高速比時對功率的影響較大，為更準確的計算葉輪性能提供了一種途徑。 最后，研究H型葉輪性能的強化問題。提出了適合于往復(fù)流特性的導(dǎo)流罩設(shè)計方法以及導(dǎo)

6、流罩帶擴張門的設(shè)計思想，模擬了導(dǎo)流罩流場特性以及導(dǎo)流罩加裝固定偏角風力機、擺線式水輪機和彈簧控角水輪機模型的流場，給出了導(dǎo)流罩與葉輪之間的流體動力學(xué)干擾規(guī)律。數(shù)值計算和模型實驗結(jié)果比較表明，導(dǎo)流罩可以穩(wěn)定葉輪下游盤面流場，擴張門能夠明顯提高通過導(dǎo)流罩內(nèi)部的流量；不同的H型葉輪安裝于導(dǎo)流罩內(nèi)時，導(dǎo)流罩的型線、收縮比、導(dǎo)流罩與葉輪的間隙等參數(shù)對葉輪的功率特性和葉片的流體動力特性的影響不同，帶擴張門的導(dǎo)流罩優(yōu)于不帶擴張門的導(dǎo)流罩。彈簧控角水輪