本文關(guān)鍵詞：低速引射式風(fēng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

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【摘要】：21世紀(jì)將是一個(gè)人類文明飛速發(fā)展的世紀(jì),人類對(duì)能源的追求將逐漸從傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)向清潔的安全可靠的綠色能源,以改善和保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境。低速風(fēng)能具有總儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保、分布廣泛的優(yōu)點(diǎn),如果能開發(fā)一種新型高效環(huán)保的風(fēng)力渦輪利用上述低速風(fēng)能發(fā)電,必將改善人類的能源結(jié)構(gòu)。但低速風(fēng)能也有能量品位低、能量密度低、湍動(dòng)度高和利用難度高的缺點(diǎn),新型渦輪必然要很好的解決上述問題。為此,本文借鑒航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噴管引射技術(shù),提出采用引射效應(yīng)、端部擴(kuò)張效應(yīng)和渦輪級(jí)理論設(shè)計(jì)一種低速引射式風(fēng)力渦輪,開展如下幾個(gè)方面的研究工作:從最大可用能的角度,建立風(fēng)力渦輪級(jí)模型、具有端部擴(kuò)張效應(yīng)的渦輪級(jí)模型和引射式風(fēng)力渦輪模型,建立引射式風(fēng)力渦輪的各位置處的氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法�；诖朔椒�,給出風(fēng)力渦輪級(jí)和引射器相互匹配的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)。依托傳統(tǒng)渦輪級(jí)的一維設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪的葉素-動(dòng)量理論,建立針對(duì)具有徑向焓降變化大、極小徑高比特征的風(fēng)力渦輪級(jí)的壓力可控渦-葉素組準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法,結(jié)合遺傳算法和三維CFD數(shù)值仿真技術(shù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)力渦輪級(jí)葉型準(zhǔn)三維優(yōu)化設(shè)計(jì)、三維葉型的構(gòu)建和修正。針對(duì)風(fēng)力渦輪引射器的工作特點(diǎn),建立具有端部擴(kuò)張效應(yīng)的等內(nèi)涵道擴(kuò)張比的新型低速風(fēng)力波瓣引射器的計(jì)算方法,給出了基于UG NX軟件的三維造型方案。為了選取適用于本文低速引射式風(fēng)力渦輪流場預(yù)測的數(shù)值方法,采用與本文研究對(duì)象相近雷諾數(shù)工作點(diǎn)的低速渦輪環(huán)形葉柵靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和波瓣引射器PIV試驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)照,經(jīng)過多種數(shù)值計(jì)算方法研究驗(yàn)證,采用ANSYS CFX商業(yè)軟件及基于RANS方程與sst湍流模型的數(shù)值方法,可以準(zhǔn)確預(yù)測渦輪葉柵內(nèi)的流動(dòng)和引射器內(nèi)外流場的氣動(dòng)和引射性能。采用上述數(shù)值方法研究引射式風(fēng)力渦輪的多工況的功率輸出性能,分析設(shè)計(jì)點(diǎn)的葉柵內(nèi)部流動(dòng)、引射器混合管內(nèi)的混合流動(dòng)和風(fēng)力渦輪外流場的氣動(dòng)性能,研究波瓣后側(cè)的流向渦和正交渦的形成、發(fā)展及耗散規(guī)律,闡述內(nèi)外涵道流體在混合管內(nèi)的引射機(jī)理,指出在流向渦和正交渦及三個(gè)大尺度渦系結(jié)構(gòu)共同產(chǎn)生的引射作用下,外涵道流體泵抽內(nèi)涵道低能流體,在渦輪轉(zhuǎn)子后側(cè)沿整個(gè)葉高方向產(chǎn)生了真空度,提高渦輪內(nèi)涵道的通流能力和單位質(zhì)量氣體焓降,是此結(jié)構(gòu)風(fēng)力渦輪高效利用低速風(fēng)能的根本原因,證明采用渦輪級(jí)+風(fēng)力引射器方案設(shè)計(jì)低速風(fēng)力渦輪的合理性。為優(yōu)化引射器的氣動(dòng)和引射性能,分析同風(fēng)速不同轉(zhuǎn)速時(shí)引射式風(fēng)力渦輪的出口氣流角對(duì)風(fēng)力引射器性能的影響,以及深入探索在引射式渦輪總體設(shè)計(jì)方案中是否存在渦輪出口氣流角與引射器性能的最佳匹配問題,研究引射器內(nèi)涵道上游預(yù)旋角度從0°至30°變化對(duì)引射性能和流場氣動(dòng)性能的影響。研究顯示,波瓣后的流向和正交渦量的總體水平下降,引射器內(nèi)涵道總壓損失升高;當(dāng)夾角大于10°,外流場中渦系結(jié)構(gòu)逐漸失穩(wěn),風(fēng)力引射器的氣動(dòng)和引射性能明顯下降。上述研究解釋引射式風(fēng)力渦輪的性能優(yōu)于傳統(tǒng)三葉引射式風(fēng)力渦輪的原因。同時(shí)也證明在渦輪級(jí)一維和準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡可能確保渦輪級(jí)實(shí)際出口氣流沿軸向出氣。確定幾何參數(shù)為引射性能的主要影響因素后,提出一種基于波瓣仰角、俯角、軸向長度和寬度四個(gè)參數(shù)快速設(shè)計(jì)風(fēng)力引射器的參數(shù)化方法,基于一次回歸正交設(shè)計(jì)、最速上升法、多元非線性回歸分析方法和CFD技術(shù),開展風(fēng)力引射器波瓣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,使渦輪級(jí)的輸出功率在原基礎(chǔ)上提升6.14~7.45%,內(nèi)涵道流量和引射能力提升約2%,實(shí)現(xiàn)2~6m/s低風(fēng)速來流的風(fēng)力利用系數(shù)在0.711~0.776范圍。采用多個(gè)低風(fēng)速風(fēng)場數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)化后引射式風(fēng)力渦輪的年發(fā)電量,指出結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的年發(fā)電量約為相同轉(zhuǎn)子面積的傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪的3~4倍,對(duì)高湍動(dòng)度流場具有良好的適應(yīng)性,更加高效、低噪聲和環(huán)保。
【關(guān)鍵詞】：風(fēng)力渦輪 風(fēng)力引射器 氣動(dòng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化 低速風(fēng)能 端部擴(kuò)張效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK14
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 符號(hào)表9-19
• 第1章 緒論19-51
• 1.1 課題來源19
• 1.2 研究的背景及意義19-22
• 1.3 風(fēng)力渦輪國內(nèi)外研究現(xiàn)狀22-40
• 1.3.1 傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪研究現(xiàn)狀22-31
• 1.3.2 新型風(fēng)力渦輪研究現(xiàn)狀31-40
• 1.4 渦輪級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究現(xiàn)狀40-43
• 1.5 引射器的研究現(xiàn)狀43-47
• 1.6 本文的研究內(nèi)容及章節(jié)安排47-51
• 第2章 低速引射式風(fēng)力渦輪的設(shè)計(jì)方法51-88
• 2.1 引言51
• 2.2 低速引射式風(fēng)力渦輪的總體性能計(jì)算51-62
• 2.2.1 低速引射式風(fēng)力渦輪總體性能計(jì)算的重要假設(shè)52-54
• 2.2.2 單級(jí)風(fēng)力渦輪模型54
• 2.2.3 端部擴(kuò)張的單級(jí)風(fēng)力渦輪模型54-55
• 2.2.4 引射式風(fēng)力渦輪模型55-57
• 2.2.5 引射式風(fēng)力渦輪的氣動(dòng)參數(shù)和性能計(jì)算57-59
• 2.2.6 引射式風(fēng)力渦輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取59-62
• 2.3 風(fēng)力渦輪葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法62-74
• 2.3.1 風(fēng)力渦輪設(shè)計(jì)要求62-63
• 2.3.2 風(fēng)力渦輪一維總體參數(shù)計(jì)算方法63-67
• 2.3.3 風(fēng)力渦輪級(jí)可控渦-葉素組的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法67-71
• 2.3.4 風(fēng)力渦輪葉片參數(shù)的選取71-74
• 2.4 風(fēng)力渦輪葉片造型方法74-82
• 2.4.1 子午流道形狀定義75-76
• 2.4.2 徑向流面定義76-77
• 2.4.3 二維葉型設(shè)計(jì)77-78
• 2.4.4 積疊規(guī)律定義78-80
• 2.4.5 風(fēng)力渦輪級(jí)的三維修正80-82
• 2.5 風(fēng)力引射器的三維設(shè)計(jì)82-87
• 2.6 本章小結(jié)87-88
• 第3章 引射式風(fēng)力渦輪性能預(yù)測的數(shù)值方法研究88-112
• 3.1 引言88-89
• 3.2 數(shù)值計(jì)算方法89-98
• 3.2.1 控制方程89-91
• 3.2.2 離散方法91-92
• 3.2.3 湍流模型92-97
• 3.2.4 Reqg - 轉(zhuǎn)捩模型97-98
• 3.3 計(jì)算方法可靠性驗(yàn)證98-111
• 3.3.1 低速環(huán)形渦輪葉柵氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)99-105
• 3.3.2 波瓣引射器的PIV實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證105-111
• 3.4 本章小結(jié)111-112
• 第4章 低速引射式風(fēng)力渦輪氣動(dòng)性能研究112-129
• 4.1 引言112
• 4.2 引射式低速風(fēng)力渦輪的數(shù)值計(jì)算模型112-115
• 4.2.1 幾何結(jié)構(gòu)112-113
• 4.2.2 數(shù)值方法113
• 4.2.3 邊界條件113
• 4.2.4 計(jì)算參數(shù)113-114
• 4.2.5 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證114-115
• 4.3 低速工況風(fēng)力渦輪整體工作性能分析115-118
• 4.3.1 低速摻混引射風(fēng)力渦輪性能分析115-117
• 4.3.2 與傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪風(fēng)能利用系數(shù)的對(duì)比117-118
• 4.4 低速工況風(fēng)力渦輪氣動(dòng)性能分析118-127
• 4.4.1 風(fēng)力渦輪中心平面旋渦結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理118-120
• 4.4.2 渦輪后側(cè)氣流摻混流動(dòng)分析120-122
• 4.4.3 波瓣引射器后側(cè)氣流摻混流動(dòng)分析122-127
• 4.5 低速工況風(fēng)力渦輪多工況的引射能力分析127-128
• 4.6 本章小結(jié)128-129
• 第5章 渦輪出氣角對(duì)風(fēng)力引射器性能的影響研究129-146
• 5.1 引言129
• 5.2 風(fēng)力引射器的性能參數(shù)129-130
• 5.3 預(yù)旋對(duì)波瓣引射器性能影響的數(shù)值計(jì)算模型130-132
• 5.3.1 幾何模型130-131
• 5.3.2 數(shù)值方法131
• 5.3.3 邊界條件131-132
• 5.4 網(wǎng)格及網(wǎng)格獨(dú)立驗(yàn)證132-133
• 5.5 不同預(yù)旋工況計(jì)算結(jié)果分析133-141
• 5.5.1 預(yù)旋對(duì)風(fēng)力引射器內(nèi)涵道分離流動(dòng)的影響133-134
• 5.5.2 預(yù)旋對(duì)流向渦和正交渦渦量沿流程的發(fā)展的影響134-139
• 5.5.3 預(yù)旋對(duì)外流場旋渦結(jié)構(gòu)的影響139-141
• 5.6 與傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪+引射器組合結(jié)構(gòu)的風(fēng)力渦輪比較141-144
• 5.7 本章小結(jié)144-146
• 第6章 風(fēng)力引射器優(yōu)化及渦輪總體性能研究146-172
• 6.1 引言146
• 6.2 風(fēng)力引射器優(yōu)化方案146-148
• 6.2.1 優(yōu)化目標(biāo)147
• 6.2.2 優(yōu)化方法147-148
• 6.2.3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證148
• 6.3 風(fēng)力引射器的參數(shù)化設(shè)計(jì)148-149
• 6.4 計(jì)算模型及網(wǎng)格149-152
• 6.4.1 流體控制方程及邊界條件149-150
• 6.4.2 計(jì)算域幾何模型150
• 6.4.3 網(wǎng)格及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證150-152
• 6.5 回歸設(shè)計(jì)與分析152-157
• 6.5.1 一次回歸正交試驗(yàn)及分析152-155
• 6.5.2 最速上升法確定最優(yōu)解區(qū)域155-156
• 6.5.3 多元非線性回歸分析156-157
• 6.6 低速風(fēng)力渦輪引射器基本參數(shù)對(duì)引射性能的影響157-158
• 6.7 設(shè)計(jì)工況低速引射式風(fēng)力渦輪的優(yōu)化結(jié)果與原型的比較158-165
• 6.7.1 總體性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)比分析158-161
• 6.7.2 設(shè)計(jì)工況流場優(yōu)化前后對(duì)比分析161-165
• 6.8 多工況優(yōu)化后引射式風(fēng)力渦輪與原型的性能比較165-167
• 6.8.1 多工況引射式風(fēng)力渦輪優(yōu)化前后氣動(dòng)性能165-167
• 6.8.2 多工況引射式風(fēng)力渦輪優(yōu)化前后引射性能167
• 6.9 基于不同地區(qū)風(fēng)速頻率評(píng)估新型渦輪年發(fā)電量167-170
• 6.9.1 引射式渦輪的年發(fā)電量的計(jì)算方法167-168
• 6.9.2 引射式風(fēng)力渦輪的年均發(fā)電量計(jì)算168-170
• 6.9.3 與傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪的綜合對(duì)比170
• 6.10 本章小結(jié)170-172
• 結(jié)論172-176
• 參考文獻(xiàn)176-197
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其它成果197-200
• 致謝200-203
• 個(gè)人簡歷203

，

本文編號(hào)：760852