H型垂直轴自由变偏角水轮机

2016-10-07  by:CAE仿真在线  来源:互联网

  在可再生能源利用装置上,H型垂直轴自由变偏角水轮机最近几年在国内发展算比较快了,相关理论在很多文献中都有介绍。这里研究一种升力型的水轮机,其结构形式如下:

使用CFX对其进行仿真,和试验的结果对比并给结构设计提供基础。

垂直轴自由变偏角叶轮的叶片可以绕自身小轴摆动,与主动式的叶轮不同,叶片摆角的变化规律是不确定的,叶片自身的运动比较复杂。其摆角变化是未知的,CFD计算要求从理论上解决摆角的控制问题。变偏角叶轮的叶片在运动过程中,根据达朗伯原理除了受到流体的作用力外,还受到由于叶片自身旋转和加速运动(非定常运动)所产生的流体惯性力。这两种力(矩)形式上构成平行力系。最终推导出来的叶片绕自身转轴的转动角加速度与其受到的水动力之间的关系:

CFX的模拟方法:

瞬态分析,控制叶轮没一时间步长转动3度,同时使用rotating网格+动网格:

使用subdomain+局部坐标的方法来定义叶片的公转和自传问题:

其实使用user fortran来计算叶片的角加速度会更好一些,这里直接使用CEl来控制,expressions有点多:

 

计算结果:

叶片的摆角变化:

单个叶片来流方向和与来流垂直方向上的受力如下(注意CFX中叶片的宽度只有0.01m):

整个叶轮受到的力矩变化:

6叶叶轮在水速1.2m时,CFX结果与实验结果的对比如下。整个曲线的走向大致相同,CFX在速比较高时计算出来的结果比试验的总是要高,并且叶轮的密实度越小,这种误差越大。

 

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