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无叶片风力机捕能柱涡激摆动气动噪声分析

噪声与振动控制 2022年第5期42卷 1-5,20页

作者：龚曙光李志谢桂兰卢海山湘潭大学机械工程学院湖南湘潭411105

针对基于涡激振动无叶片风力机的气动噪声问题,建立捕能柱涡激横向摆动的仿真模型并进行验证,结合SST湍流模型和声类比法,探讨来流风速对捕能柱横向摆动噪声及远场噪声辐射的影响。结果表明,捕能柱涡激摆动产生的噪声为低频噪声,且噪声... 详细信息

针对基于涡激振动无叶片风力机的气动噪声问题,建立捕能柱涡激横向摆动的仿真模型并进行验证,结合SST湍流模型和声类比法,探讨来流风速对捕能柱横向摆动噪声及远场噪声辐射的影响。结果表明,捕能柱涡激摆动产生的噪声为低频噪声,且噪声大小与其摆动角度和频率有关;捕能柱涡激摆动的气动声源为偶极子声源;最大噪声位于捕能柱中段位置,且捕能柱底部的噪声要大于其顶端;辐射噪声声压级与漩涡脱落频率存在对应关系;当来流风速处于锁频风速区间时噪声最大,且其衰减率小于非锁频风速。所得结论可为无叶片风力机的设计与安装提供指导。

关键词：声学无叶片风力机涡激横向摆动气动噪声摆动频率远场噪声

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配重对拓宽无叶片风力机捕能区间的影响研究

机械工程学报 2023年第4期59卷 265-273页

作者：龚曙光王翔谢桂兰卢海山徐凡业湘潭大学机械工程学院湘潭411105

为提高无叶片风力机的捕能效率,基于调谐捕能柱固有频率原理,提出采用配重方式拓宽无叶片风力机捕能区间的方法,推导添加配重后捕能柱固有频率的计算式,建立捕能柱涡激振动分析的仿真模型并进行了验证,探讨配重质量占比、配重块移动距... 详细信息

为提高无叶片风力机的捕能效率,基于调谐捕能柱固有频率原理,提出采用配重方式拓宽无叶片风力机捕能区间的方法,推导添加配重后捕能柱固有频率的计算式,建立捕能柱涡激振动分析的仿真模型并进行了验证,探讨配重质量占比、配重块移动距离对捕能柱风速锁定区间与捕能效率的影响。所得结果表明,施加配重块后理论计算固有频率接近且大于捕能柱获得最大摆幅所对应的频率;配重块移动与其固定不动相比,捕能柱的捕能功率和风速锁定区间可显著提高,风速锁定区间长度增大了16.3倍;随着配重质量占比值的增大,捕能柱获得最大摆幅的风速锁定区间也增大,且区间长度与配重质量占比之间满足二次函数关系。这意味着当来流风速发生变化时,可通过调整配重块的位置,实现风能捕获最大化。

关键词：无叶片风力机配重法风速锁定区间固有频率捕能效率

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无叶片风力机捕能柱涡激摆动的气动噪声研究

无叶片风力机捕能柱涡激摆动的气动噪声研究

作者：李志湘潭大学

学位级别：硕士

无叶片风力机是一种依靠捕能柱涡激摆动捕获风能的新型风力机,捕能柱两侧产生的周期性旋涡脱落所造成的流场压力变化必然会影响声场。本文采用雷诺平均法和声类比法结合的混合数值方法探讨不同阻尼比ζ、质量比m以及磁性回复力矩系数K... 详细信息

无叶片风力机是一种依靠捕能柱涡激摆动捕获风能的新型风力机,捕能柱两侧产生的周期性旋涡脱落所造成的流场压力变化必然会影响声场。本文采用雷诺平均法和声类比法结合的混合数值方法探讨不同阻尼比ζ、质量比m以及磁性回复力矩系数K对捕能柱涡激摆动气动噪声的影响,论文的研究工作如下:(1)通过控制变量法保证捕能柱质量比m和磁性回复力矩系数K不变,对不同阻尼比(0.015≤ζ≤0.025)捕能柱涡激摆动产生的气动噪声开展研究。阻尼比通过影响捕能柱的摆动幅度及频率影响其气动噪声辐射。位于捕能柱两侧中心对称的接收点声压幅值相同但相位相差180°,而位于同侧的接收点声压相位相同但离捕能柱越远其幅值越小。捕能柱涡激摆动远场噪声是由捕能柱自身振动及其两侧形成的旋涡脱落所引起的流场扰动共同造成的。距离捕能柱越近其噪声衰减量越大,同时捕能柱处于非锁定风速区间的远场噪声衰减速度大于锁定风速。(2)保证捕能柱阻尼比ζ以及磁性回复力矩系数K不变,对不同质量比(29≤m(9))≤4 9)捕能柱涡激摆动的气动噪声开展研究。捕能柱远场噪声总声压级峰值随质量比增大而减小,且呈现非线性变化关系。捕能柱摆动越稳定其远场噪声相对更大。处于初始分支阶段时,远场噪声声压与横向摆动幅度同相,与升力系数反相,而处于下端分支时则出现相位转换现象。不同质量比捕能柱涡激摆动产生的噪声均为低频噪声,处于锁定风速下的倍频程声压级峰值所对应的中心频率明显大于非锁定风速区间。(3)在捕能柱结构属性及阻尼比ζ不变的条件下,探讨不同磁性回复力矩系数K对捕能柱涡激摆动的气动噪声的影响。捕能柱锁定区间随着磁性回复力矩K值增大逐渐向高风速方向转移且横向摆幅幅度峰值随K值增大而增大,同时增大K值能够有效拓宽锁定区间。磁性回复力矩系数不改变其远场噪声频谱分布以及气动噪声声源形式,由于其横向摆动幅度明显大于顺流摆动导致横流方向接收点总声压级增大量明显大于顺流。本文对无叶片风力机捕能柱涡激摆动的气动噪声进行了仿真研究,可为无叶片风力机系统参数的研发提供指导。

关键词：无叶片风力机涡激摆动气动噪声阻尼比质量比磁性回复力矩系数

无叶片风力机捕能柱涡激摆动特性及捕能效率研究

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无叶片风力机捕能柱涡激摆动特性及捕能效率研究

作者：吴兴豪湘潭大学

学位级别：硕士

无叶片风力机是通过其捕能柱涡激摆动来捕获风能,并通过能量转换装置转化为电能等可用能源。为探讨无叶片风力机捕能柱涡激摆动特性及能量捕获效率,本文基于计算流体动力学-刚体动力学耦合的方法,对圆柱型捕能柱、锥台型捕能柱及无叶片... 详细信息

无叶片风力机是通过其捕能柱涡激摆动来捕获风能,并通过能量转换装置转化为电能等可用能源。为探讨无叶片风力机捕能柱涡激摆动特性及能量捕获效率,本文基于计算流体动力学-刚体动力学耦合的方法,对圆柱型捕能柱、锥台型捕能柱及无叶片风力机变固有频率系统展开了数值模拟研究。论文的主要研究工作如下:(1)采用控制变量法,针对无叶片风力机影响参数设计了三种数值计算对比分析方案。在所研究的阻尼比(0.04???0.1)与质量比(10?m?40)范围内,涡激摆动峰值摆幅及最大能量捕获效率均发生在频率比f?1的位置;减小系统阻尼比和质量比可提高捕能柱峰值摆幅和最大能量捕获效率,而提高系统固有频率可提高捕能柱峰值摆幅和最大能量捕获效率;柱体的峰值摆幅与雷诺数有关,雷诺数越大峰值摆幅越大;捕能柱在涡激摆动过程中随柱体高度的变化产生不同程度的斜涡脱落,对其涡激摆动频率“锁定”现象具有一定影响。(2)在保持底部直径及壁厚相同的条件下,对不同锥度比(α=0～0.08)捕能柱展开了流固耦合研究。捕能柱峰值摆幅随锥度比的增加呈相对稳定随后逐渐增大,而能量捕获效率随锥度比的增加先减小后增大;捕能柱横向摆动的主频锁定区域随锥度比的增加相对变宽,且仅当主频成分较接近系统固有频率时其摆幅才有较大提升;在峰值摆幅下捕能柱摆动角度与升力矩相位差在90°附近,而在初始分支区间接近同相,下端分支区间接近反相;在锁频风速下,锥台型捕能柱尾涡脱落频率随高度方向的变化相比固定绕流及非锁定状态下较小。(3)对非线性回复力矩捕能系统的固有频率进行了理论分析,并对不同捕能系统展开了数值模拟研究。非线性回复力矩捕能系统函数的斜率控制系统的固有频率,且回复力矩非线性化程度越大系统固有频率的变化速率越快;当变固有频率系统的固有频率初始值小于定固有频率系统时,捕能柱峰值摆幅和能量捕获效率随回复力矩非线性化程度的增大而减小,且对应的风速向较小雷诺数方向推移;在变固有频率捕能系统中,捕能柱横向涡激摆动次频分量带宽增加,选择恰当的变固有频率系统可增加柱体主频率锁定区间和高摆幅区间。本文对无叶片风力机捕能柱涡激摆动特性及能量捕获效率进行了仿真研究,可为捕能柱的结构设计及无叶片风力机系统参数的设计提供指导。

关键词：无叶片风力机涡激摆动捕能效率质量比阻尼比变固有频率

无叶片风力机变固有频率系统的涡激摆动特性及捕能效率

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振动与冲击 2021年第19期40卷 180-186页

作者：龚曙光吴兴豪谢桂兰张建平湘潭大学机械工程学院湖南湘潭411105

无叶片风力机是通过其捕能柱的涡激横向摆动来捕获风能。建立了捕能柱三维涡激摆动的简化模型,推导了捕能柱系统固有频率及其能量捕获效率的计算式,并基于非线性回复力矩关系,构建了捕能柱的变固有频率计算式;在对简化模型进行验证的基... 详细信息

无叶片风力机是通过其捕能柱的涡激横向摆动来捕获风能。建立了捕能柱三维涡激摆动的简化模型,推导了捕能柱系统固有频率及其能量捕获效率的计算式,并基于非线性回复力矩关系,构建了捕能柱的变固有频率计算式;在对简化模型进行验证的基础上,采用计算流体动力学(CFD)/刚体动力学(RBD)耦合方法,研究了变固有频率系统对捕能柱涡激横向摆动特性及捕能效率的影响。结果表明,非线性回复力矩函数斜率控制着捕能系统的固有频率,且非线性化程度越大系统固有频率变化速率越快;捕能柱横向摆幅峰值和能量捕获效率随回复力矩非线性化程度的增大而减小,其对应的风速向前推移;选择适当的变固有频率系统可增大主频锁定区间和高摆幅区间;捕能柱在涡激摆动过程中随柱体高度产生不同程度的斜涡脱落,对涡激摆动的频率锁定具有一定影响。

关键词：无叶片风力机涡激横向摆动变固有频率捕能效率非线性回复力矩

桅杆长径比对有限长锥台形捕能柱涡激横向摆动特性的影响

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振动与冲击 2023年第9期42卷 261-267,303页

作者：龚曙光徐凡业谢桂兰卢海山湘潭大学机械工程学院湖南湘潭411105

无叶片风力机是利用捕能柱的风致横向摆动收集风能并将其转换成电能的装置。通过引入桅杆结构并将其与有限长锥台型捕能柱构成一个捕能系统,在建立有限长锥台型捕能系统简化模型的基础上,推导了与捕能系统几何形状相关的无量纲结构系数... 详细信息

无叶片风力机是利用捕能柱的风致横向摆动收集风能并将其转换成电能的装置。通过引入桅杆结构并将其与有限长锥台型捕能柱构成一个捕能系统,在建立有限长锥台型捕能系统简化模型的基础上,推导了与捕能系统几何形状相关的无量纲结构系数计算式,探讨了桅杆长径比对有限长锥台型捕能柱涡激摆动特性及捕能效率的影响。所得结果表明,桅杆结构的引入能有效地提升有限长捕能柱的涡激横向摆幅峰值及捕能效率,且其均随桅杆长径比的增大呈现先增大后减小的趋势。与无限长捕能柱结构相比,在桅杆长径比为6.67时有限长捕能柱的能量收集效率提升了44.8%;增大桅杆的长径比会使锁频区间增宽,但捕能系统的固有频率会减小;对于给定的捕能系统存在一个与其相匹配的最佳桅杆长径比。所得结论对于无叶片风力机的设计与实际工程应用具有重要的指导作用。

关键词：无叶片风力机涡激摆动锥台形捕能柱桅杆有限长长径比

风致涡激共振对永磁直线发电机电磁特性的影响

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微特电机 2021年第10期49卷 1-6页

作者：龚曙光蒋自强谢桂兰张建平卢海山湘潭大学机械工程学院湘潭411105

基于风致涡激共振无叶片风力机的需要,研制了一台圆筒形永磁直线发电机,对其在匀速状态下的空载特性、负载特性进行了仿真分析,验证了该永磁直线发电机的可行性。采用反正切函数和正弦函数的乘积逼近发电机次级在共振时的运动轨迹,给出... 详细信息

基于风致涡激共振无叶片风力机的需要,研制了一台圆筒形永磁直线发电机,对其在匀速状态下的空载特性、负载特性进行了仿真分析,验证了该永磁直线发电机的可行性。采用反正切函数和正弦函数的乘积逼近发电机次级在共振时的运动轨迹,给出了输出电压的表达式,并探讨了发电机在不同风速和振幅下的电磁特性。结果表明,发电机在捕能柱共振区间(锁频区间)下能获得最大的电压、输出功率和效率,且随着次级运动振幅的增大,发电机的电压、输出功率和效率均增大,当其振幅倍数大于1后,发电机效率的增幅变缓。该结论可为无叶片风力发电机的研发提供指导。

关键词：圆筒形永磁直线发电机风致涡激共振电磁特性风速振幅无叶片风力机