基于CFD的三杯式风速仪空气动力学特性数值模拟与结构优化设计

发布时间：2019-07-12 16:54

【摘要】：三杯式风速仪由于其转速与风速成线性关系、测风范围大、成本低等优点广泛应用于各种风速测量领域,越来越多的应用场合对其性能提出了更加严格的要求。目前国内外对风杯式风速仪的研究主要依赖理论分析和风洞试验,试验成本高、周期长,理论方法包含大量的简化和假设条件,以至于不明确结构参数对风速仪气动性能的影响规律,计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)在流体流动领域的应用为风速仪气动性能的研究和结构优化设计提供了有效途径。本文的研究内容旨在通过数值模拟方法对三杯式风速仪的空气动力学特性进行研究,结合理论分析和风洞试验验证仿真的可靠性,依此指导风速仪的结构优化设计。主要内容包括:(1)通过建立三杯式风速仪空气动力学运动模型,阐述了动静态特性理论和CFD基础理论,为后文的研究打下基础;(2)构建风杯空气气动特性的数值模拟模型,介绍定常数值模拟的各个环节,结合试验对仿真结果进行分析,为后文的杯形优化设计提供参考;(3)提出了采用Transient Rotor-Stator模型、Simo Wong算法、RNG k-?湍流模型的风速仪被动响应数值模拟方案,在CFX中进行非定常数值模拟,结合理论对仿真结果分析后得到动静态特性参数的计算结果并与风洞试验数据对比。研究表明,数值模拟方法能够准确预测出风速仪的动态响应过程和线性特性,计算误差在20%以内;(4)分别以风速仪的线性特性、启动性能、动态响应速度为研究对象,采用CFD计算、近似模型、预测优化等手段,归纳了回转半径、杯口直径对线性系数、距离常数的影响规律,比较了不同杯型的启动性能,提出了改善风速仪动态性能的结构优化设计方案。研究结果表明,线性系数随着回转半径的增大而线性增大,随着杯口直径的增大而减小,回转半径是主要的影响因素;半球形风杯的启动性能优于锥形风杯,不同锥角的杯型启动性能差别不大;采用回转半径为84mm,杯口直径为70mm的结构能够显著提高风速仪的动态性能。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH815

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 田文龙;宋保维;毛昭勇;;椭圆叶片Savonius风力机叶轮气动性能数值计算[J];中国电机工程学报;2014年32期

2 谭业发;董贵杨;谭浩广;谭华;王小龙;;基于计算流体力学的旋转自洁式空气预滤器数值模拟研究[J];兵工学报;2014年03期

3 徐小明;钟万勰;;刚体动力学的四元数表示及保辛积分[J];应用数学和力学;2014年01期

4 张代胜;李浩;蔡少波;;基于CFD的发动机冷却风扇仿真优化研究[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2013年09期

5 王琦峰;陈伯君;安亦然;;大型风力机三维空气动力学数值模拟[J];空气动力学学报;2011年06期

6 梁瑛娜;高殿荣;;双层直斜叶及其组合桨搅拌槽三维流场数值模拟[J];机械工程学报;2008年11期

7 花严红;袁卫星;袁修干;杨春信;陈江;;微小流量离心压缩机叶轮流场性能模拟计算[J];航空动力学报;2008年10期

8 姜继海;周志华;李岩峰;;三杯式风速计线性特性的实验研究[J];气象水文海洋仪器;2008年01期

9 陕华平;肖登明;薛爱东;;大型风电场的风资源评估[J];华东电力;2006年02期

10 郭正,刘君,瞿章华;非结构动网格在三维可动边界问题中的应用[J];力学学报;2003年02期

相关博士学位论文 前2条

1 刘强;漂浮式风力机动态响应及气动特性研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2014年

2 董亮;离心泵非结构化四面体网格生成及应用研究[D];江苏大学;2012年

相关硕士学位论文 前1条

1 路宽;基于数值模拟和风洞试验的垂直轴风力机性能研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

，

本文编号：2513837