H型垂直軸自由變偏角水輪機(jī)

2016-10-07 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在可再生能源利用裝置上,H型垂直軸自由變偏角水輪機(jī)最近幾年在國(guó)內(nèi)發(fā)展算比較快了,相關(guān)理論在很多文獻(xiàn)中都有介紹。這里研究一種升力型的水輪機(jī),其結(jié)構(gòu)形式如下:

使用CFX對(duì)其進(jìn)行仿真,和試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比并給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

垂直軸自由變偏角葉輪的葉片可以繞自身小軸擺動(dòng),與主動(dòng)式的葉輪不同,葉片擺角的變化規(guī)律是不確定的,葉片自身的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜。其擺角變化是未知的,CFD計(jì)算要求從理論上解決擺角的控制問(wèn)題。變偏角葉輪的葉片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,根據(jù)達(dá)朗伯原理除了受到流體的作用力外,還受到由于葉片自身旋轉(zhuǎn)和加速運(yùn)動(dòng)(非定常運(yùn)動(dòng))所產(chǎn)生的流體慣性力。這兩種力(矩)形式上構(gòu)成平行力系。最終推導(dǎo)出來(lái)的葉片繞自身轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度與其受到的水動(dòng)力之間的關(guān)系:

CFX的模擬方法:

瞬態(tài)分析,控制葉輪沒(méi)一時(shí)間步長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)3度,同時(shí)使用rotating網(wǎng)格+動(dòng)網(wǎng)格:

使用subdomain+局部坐標(biāo)的方法來(lái)定義葉片的公轉(zhuǎn)和自傳問(wèn)題:

其實(shí)使用user fortran來(lái)計(jì)算葉片的角加速度會(huì)更好一些,這里直接使用CEl來(lái)控制,expressions有點(diǎn)多:

計(jì)算結(jié)果:

葉片的擺角變化:

單個(gè)葉片來(lái)流方向和與來(lái)流垂直方向上的受力如下(注意CFX中葉片的寬度只有0.01m):

整個(gè)葉輪受到的力矩變化:

6葉葉輪在水速1.2m時(shí),CFX結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如下。整個(gè)曲線(xiàn)的走向大致相同,CFX在速比較高時(shí)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果比試驗(yàn)的總是要高,并且葉輪的密實(shí)度越小,這種誤差越大。