基于致动线模型的错列式两风机尾流场数值模拟

风电场中风机之间存在十分复杂尾流相互干扰现象,尾流相互干扰效应对风机的功率输出、叶片载荷等产生十分显著的影响。采用致动线模型以及计算流体力学方法,研究两风机之间的复杂尾流干扰效应。在保持两风机纵向间距一样的情况下,考虑两风机在不同横向间距下,数值模拟两风机的部分尾流相互干扰现象,分析两风机的气动功率输出特性、尾流速度变化特性、风轮平面附近轴向诱导因子分布特性,尾涡结构以及尾流干扰效应。数值模拟结果表明:在上下游风机在沿着流向方向距离保持不变的情况下,随着横向间距的变化,上下游风机的尾流存在十分复杂的尾流相互干扰效应,对下游风机的气动功率输出以及两风机风电场的整体流场产生了显著的影响。     

基于尾流模型的风场偏航控制优化研究

在风机大尺度化与风场大型化的趋势下，如何通过合适的控制策略以降低尾流损失成为关键问题。以包括30台NREL-5MW风机并采用5行6列平行四边形布置方式的小型风场为研究对象，基于显示尾流模型，以各风机偏航角度为优化参数，风场总功率为目标函数，使用粒子群优化算法对比分析了偏航控制对不同风速、风向、湍流强度下的风场性能提升效果。结果表明，偏航控制优化可在风向与风机行或列方向平行时发挥明显效果，当风机行列间距为4倍风轮直径且湍流强度为5%时，在不同风速下偏航控制可分别将风场总体发电量提升15%~20%，但对于布置间距大于7倍风轮直径或湍流强度高于15%时的风场，其作用十分有限，总体发电量提升在5%以内。     

雷诺数为3 900时三维圆柱绕流的大涡模拟

自从人们对层流的圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,人们逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流,但相关研究主要关注于模拟湍流方法的数值格式和精度问题,而忽略了对高雷诺下圆柱绕流流场本身的认识及规律的总结。基于开源代码Open FOAM的大涡模拟方法以连续方程和Navier-Stokes方程为控制方程,选用Smargorinsky模式为亚格子应力模型,采用有限体积法和一次预测两次修正的PISO算法,对Re=3 900时三维圆柱绕流问题进行了数值模拟研究,并着重分析了其尾流特征和性质。数值计算结果表明:大涡模拟方法可以模拟出细致的流场结构,该雷诺数下的圆柱绕流具有很强的三维及湍流效应,在圆柱后方约一倍直径的范围内存在回流区域,在靠近圆柱壁面的尾流区域的速度剖面呈"U"型,远离壁面的速度剖面呈"V"型。瞬时速度剖面始终围绕着时均速度的周围脉动,且距离圆柱越远瞬时速度场的脉动范围越大。     

三维自由面流动模拟中GPU并行计算技术

MPS(Moving Particle Semi-implicit)法能够有效地处理溃坝、晃荡等自由面大变形流动问题。在三维MPS方法中,粒子数量的急剧增加会导致其计算效率的降低并限制其在大规模流动问题中的应用。基于自主开发的MPS求解器MLParticleSJTU,本文对求解过程中耗时最多的邻居粒子搜寻和泊松方程求解两个模块采用了GPU并行加速,详细探讨了CPU+GPU策略。以三维晃荡和三维溃坝这两种典型的自由面大变形流动为例,比较了CPU+GPU相对于MLParticle-SJTU串行求解时的加速情况,结果表明CPU+GPU在邻居粒子和泊松方程这两个模块中的加速比最高能达到十倍左右。此外,采用CPU+GPU并行能够较准确地模拟溃坝、晃荡等自由面大变形问题。     

MPS方法数值模拟液舱晃荡问题

基于无网格粒子法MPS方法(moving particle semi-implicit method)研究了液舱晃荡问题。针对二维矩形液舱晃荡问题进行了数值验证,结果表明MPS方法能够很好地计算晃荡产生的拍击压力。同时将MPS方法应用到带隔板的液舱晃荡问题计算中,分析了二维和三维带隔板液舱晃荡问题。计算结果表明:隔板的存在很大程度地限制了流体的水平运动,隔板附近出现了自由面的翻卷、破碎和融合现象,MPS方法能够很好地模拟这些流动现象。计算得到的波高与实验测得的波高吻合较好,表明MPS方法模拟带隔板的晃荡问题具有一定的可靠性。     

非均匀风影响下风力机三维气动粘性流场的数值模拟

基于面向对象的开源软件OpenFOAM,选择美国国家新能源实验室(NREL)Phase VI风力机为对象,对以往研究较少的非均匀来流风速作用下风力机三维气动粘性流场进行数值模拟。采用较为接近于真实情况的指数型风剖面,计算了轮毂处风速分别为5、10、15和25 m/s四种工况下的叶片表面压力分布、叶片的推力、尾涡等气动力数据,并与均匀来流风速下的风力机气动力学性能进行详细的对比,探讨非均匀风剖面对风力机流场结构和流动特性影响的物理现象和规律。     

基于无网格MPS方法数值分析方舱破舱进水问题

采用移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit,简称MPS)对自由漂浮二维方舱的破舱瞬时进水过程进行数值模拟。首先,采用基于GPU平台自主开发的MPS软件模拟破舱进水问题,并与其他方法得到的数值模拟结果进行对比验证。然后,对该二维方舱的各种模型进行了数值模拟,其中开孔位于不同位置以表示舷侧不同高度下的损坏。此外,还研究了不同类型的挡板对破舱进水后方舱稳定性的影响。结果表明损坏的孔洞和内部挡板会影响损坏舱段的运动特性,开孔距静水面的距离越大引起舱段的横摇等运动幅度越大,垂直挡板比水平挡板对舱内洪水的影响更大。     

考虑自由面反射作用的圆柱流噪声计算

对于现代舰船而言噪声是其关键性能之一,目前水下航行体的流激噪声预测方法已经较为成熟,但是水面舰船的水动力噪声研究起步较晚,还没有形成系统的预报方法和控制手段。使用开源CFD工具包OpenFOAM求解器,流场通过大涡模拟方法求解,自由液面则依靠VOF方法捕捉,通过Curle方程预测远场噪声,基于镜像法考虑自由面的反射作用,数值模拟近自由面圆柱周围的声场分布。开展了Re=3 900下距离自由液面不同高度的圆柱辐射噪声求解,主要结合流场分析自由面对声场的扰动作用和不同深度对水下几何体流噪声的影响。初步考虑了自由液面波形对辐射噪声的反射作用,为后续预测水面舰船的水动力噪声特性提供依据,自由面对辐射噪声的阻抗等作用还需进一步研究。     

CFD数值分析三体船片体位置对阻力及兴波干扰影响

三体船的水动力性能是目前水动力学研究的热门。对于中高速三体船来说,其静水阻力的很大一部分由兴波阻力构成,而对于兴波最大的影响因素就是片体位置的布局。以一艘圆舭型三体船为研究对象,运用黏流计算流体力学(CFD)方法模拟分析4种不同片体位置对三体船静水阻力和兴波干扰的影响。数值计算采用自主研发的黏流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU。数值预报得到三体船静水阻力结果与模型试验结果吻合较好,验证了当前CFD方法预报三体船阻力的可靠性。通过不同片体位置三体船阻力计算发现,方案4的船型方案阻力最优,且通过细节的主片体间兴波干扰流场的结果给出了不同片体布置方案对三体船阻力和兴波的影响。     

带前缘结节叶片导管桨尾流不稳定性分析

导管桨的尾流不稳定性在其性能评价中非常重要,不但是其能否提供稳定推力的保证,而且也与螺旋桨的尾流噪声直接相关。为了改善导管桨的尾流,提高尾流稳定性,并优化导管桨的流场脉动,根据座头鲸鳍肢前缘结节的仿生原理,对导管桨叶片的导边进行改进,提出了两种仿生桨型,采用IDDES湍流模型对低进速系数下常规导管桨和仿生叶片导管桨进行数值模拟,探究叶片构型对导管桨性能和尾流不稳定性的影响。计算结果表明,前缘结节可以有效降低叶片受力波动的幅值和叶片所受合力的主频域峰值,具有较大结节的叶片对导管桨尾流有明显的优化作用,在尾流远场中扩大了流动稳定区,延后了尾流处涡破碎的发生,改善了能量谱密度的频域分布。进一步,大前缘结节叶片导管桨应用在低速工况下时,可以大量减少尾流泄涡区域的二次涡产生,这是由于前缘结节提升了相邻涡互感的强度,使得尾流更加稳定,而小结节叶片仿生桨型对导管桨尾流则无明显优化作用。研究方法和成果可为螺旋桨尤其是导管桨尾流不稳定性研究提供参考,不仅验证了前缘结节在导管桨叶片应用的合理性,而且揭示了其优化尾流稳定性的机理。