豎軸H型葉輪及導(dǎo)流罩流體動(dòng)力性能數(shù)值模擬.pdf

1、H型葉輪是豎軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或海(潮)流發(fā)電機(jī)組中的關(guān)鍵設(shè)備。它的主要特點(diǎn)是風(fēng)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(lái)流方向的影響，葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)變角度控制和大型化，所以近年來(lái)在風(fēng)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(guò)程中流場(chǎng)、尾渦系及其作用于葉片上的載荷呈周期性的非對(duì)稱非穩(wěn)態(tài)變化，流動(dòng)干擾復(fù)雜，葉輪流體動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題至今沒(méi)有得到很好的解決。因此，深入研究H型葉輪的流體動(dòng)力學(xué)理論與

2、數(shù)值模擬方法，探索H型葉輪的流場(chǎng)特性、流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理和性能，對(duì)于準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)H型葉輪的特性和提高設(shè)計(jì)能力具有重要的理論和實(shí)際意義。 H型葉輪流體動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)通常采用流管法和渦方法。流管法在整體性能計(jì)算上簡(jiǎn)單快捷，但預(yù)報(bào)葉片瞬時(shí)載荷困難；渦方法能夠計(jì)算瞬時(shí)載荷和渦系干擾，但在葉片出現(xiàn)大攻角流動(dòng)分離時(shí)計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。而近年來(lái)出現(xiàn)的粘性CFD方法能夠彌補(bǔ)前兩種方法的缺點(diǎn)。本文基于全粘性CFD方法和Fluent軟件，對(duì)H型葉輪粘性流場(chǎng)

3、的數(shù)值模擬方法，以及葉片、葉輪和導(dǎo)流罩的流體動(dòng)力載荷與性能開(kāi)展研究。 首先研究H型葉輪流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法。針對(duì)葉片截面研究典型對(duì)稱翼型定常和非定常繞流的數(shù)值模擬問(wèn)題，詳細(xì)探討了粘性CFD理論中相關(guān)計(jì)算條件和處理方法。在分析H型葉輪的運(yùn)動(dòng)特征和CFD滑移網(wǎng)格模型與動(dòng)網(wǎng)格模型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出UDF控制滑移網(wǎng)格模型方法。通過(guò)Strickland風(fēng)力機(jī)和Kurushima潮流水輪機(jī)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果和其他方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，表明滑移網(wǎng)

4、格模型可以詳細(xì)預(yù)報(bào)葉片的瞬時(shí)載荷，尤其在低速比工況的性能計(jì)算上有明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)擺線式水輪機(jī)的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明UDF控制滑移網(wǎng)格模型可以有效預(yù)報(bào)變偏角H型葉輪的功率特性，與動(dòng)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(jì)算時(shí)問(wèn)。 然后考慮粘性流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)葉片的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。應(yīng)用UDF建立葉片的受力平衡方程和力矩平衡方程，實(shí)現(xiàn)了帶慣性力系的H型葉輪的數(shù)值模擬，給出了被動(dòng)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(guò)彈簧控角水輪機(jī)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明該方法可以有效預(yù)報(bào)葉片的運(yùn)動(dòng)特性及葉輪的功率特性。 另外，研究葉輪的總體性能計(jì)算問(wèn)題。提出了變偏角H型葉輪功率計(jì)算修正公式，將葉片力偶矩對(duì)葉片自身小軸的功計(jì)入葉輪轉(zhuǎn)換的能量中。研究表明，修正項(xiàng)在低速比時(shí)對(duì)功率的影響很小，在高速比時(shí)對(duì)功率的影響較大，為更準(zhǔn)確的計(jì)算葉輪性能提供了一種途徑。 最后，研究H型葉輪性能的強(qiáng)化問(wèn)題。提出了適合于往復(fù)流特性的導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)方法以及導(dǎo)

6、流罩帶擴(kuò)張門(mén)的設(shè)計(jì)思想，模擬了導(dǎo)流罩流場(chǎng)特性以及導(dǎo)流罩加裝固定偏角風(fēng)力機(jī)、擺線式水輪機(jī)和彈簧控角水輪機(jī)模型的流場(chǎng)，給出了導(dǎo)流罩與葉輪之間的流體動(dòng)力學(xué)干擾規(guī)律。數(shù)值計(jì)算和模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較表明，導(dǎo)流罩可以穩(wěn)定葉輪下游盤(pán)面流場(chǎng)，擴(kuò)張門(mén)能夠明顯提高通過(guò)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(shí)，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(duì)葉輪的功率特性和葉片的流體動(dòng)力特性的影響不同，帶擴(kuò)張門(mén)的導(dǎo)流罩優(yōu)于不帶擴(kuò)張門(mén)的導(dǎo)流罩。彈簧控角水輪