豎軸H型葉輪及導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)電機組中的關鍵設備。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，葉輪的旋轉不受來流方向的影響，葉片結構簡單，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)電技術領域重新受到人們的關注。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，流動干擾復雜，葉輪流體動力學性能設計中的基礎力學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、流體動力學機理和性能，對于準確的認識H型葉輪的特性和提高設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潮流水輪機模擬結果與試驗結果和其他方法的計算結果對比，表明滑移網(wǎng)

4、格模型可以詳細預報葉片的瞬時載荷，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果與文獻中試驗結果對比，表明UDF控制滑移網(wǎng)格模型可以有效預報變偏角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問題。應用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果與實驗結果對比，表明該方法可以有效預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。提出了適合于往復流特性的導流罩設計方法以及導

6、流罩帶擴張門的設計思想，模擬了導流罩流場特性以及導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，給出了導流罩與葉輪之間的流體動力學干擾規(guī)律。數(shù)值計算和模型實驗結果比較表明，導流罩可以穩(wěn)定葉輪下游盤面流場，擴張門能夠明顯提高通過導流罩內部的流量；不同的H型葉輪安裝于導流罩內時，導流罩的型線、收縮比、導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，帶擴張門的導流罩優(yōu)于不帶擴張門的導流罩。彈簧控角水輪