风沙对风力机翼型绕流及其气动性能的影响

中国西北地区风能资源丰富,然而该地区经常遭受沙尘天气的侵袭。风力机在强风沙环境下运行,其气动性能难免会受到沙尘的影响,并且其叶片会受到比较严重的磨损,导致机组的出力明显下降。翼型作为风力机叶片的基本组成单元,沙尘颗粒对翼型的绕流和气动特性的影响研究显得尤为必要。该文利用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟(large eddy simulation)混合方法中的延迟分离涡模拟方法,模拟了NREL S809翼型在风沙环境下的流动特性,将不同颗粒直径条件下翼型周围的绕流情况和翼型的气动性能进行了对比,研究了空气中的颗粒对风力机翼型绕流及其气动性能的影响规律。结果表明,6.1?攻角时,颗粒对翼型绕流和升力系数的影响较小,但仍会使翼型的升力系数略微降低。随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数先减小再增大,其中颗粒直径为20μm时达到最小值。当颗粒直径为150μm时,其升力系数仍小于洁净空气下的升力系数,但两者已十分接近。8.2?攻角时,不同直径颗粒对翼型绕流具有不同程度的影响,当颗粒直径小于20μm时,颗粒的跟随性较好,颗粒紧随气相运动,对翼型绕流的影响较小;当颗粒直径为20μm时颗粒对翼型绕流造成了极大的影响,如分离点提前、出现展向流动;当颗粒直径大于20μm后,随着颗粒直径的继续增大,颗粒的惯性力变强,颗粒逐渐独立于气相运动,对翼型绕流的影响也逐渐减弱。升力系数随颗粒直径的变化趋势和小攻角时相同,但变化幅度变大,升力系数最小时比洁净空气时减少了7.9%。该文可为不同颗粒直径的风沙环境下颗粒对翼型周围绕流流场及其对翼型升力系数影响等相关研究提供参考。

低雷诺数下翼型分离流动抽吸控制特性研究

为了系统研究抽吸系数和抽吸方向对抽吸效果的影响以及抽吸效益与抽吸能耗之间的关系,以NACA0012翼型表面分离流动为基准状态,在其吸力面设计了局部多孔抽吸结构,采用Roe格式和双时间步隐式算法(LUSGS),从抽吸系数、抽吸方向和抽吸能耗等方面,数值研究了低雷诺数下多孔分布式抽吸结构对流动分离的控制效果,通过边界层速度线型的变化分析了抽吸控制机理。研究结果表明:在翼型吸力面流动分离点附近一定区域内进行抽吸,可有效抑制流动分离,改善翼型气动性能;随着抽吸系数的增加,升阻比先是快速增长然后缓慢下降,且升阻比最大值提高了约1.3倍。抽吸控制能量消耗评估显示抽吸系数在合理范围内时,控制能耗明显小于控制效益。抽吸角度对抽吸控制有显著影响,当抽吸角度较大时,不仅翼型升阻比获得了提升,而且抽吸控制所消耗的能量也会进一步减少。这些结果有助于进一步为流动控制设计提供新的思路和方法。

风力机翼型边界层分离流动三维特性的数值模拟

针对NRELS809翼型绕流流动分别建立了二维和三维可压缩湍流模型,并进行了相应的数值模拟计算。湍流黏度分别采用基于RANS的Spalart-Allmaras和k-ωSST两种湍流模型来处理。研究结果表明:基于RANS的三维Spalart-Allmaras湍流模型在大攻角下得到了更加细致的涡结构,且更能显示出边界层分离流动的三维特性,计算出的翼型气动性能与实验测试值更接近,因此,Spalart-Allmaras湍流模型比k-ωSST湍流模型在预测翼型失速后气动性能方面更加有效。数值计算结果同时揭示了分离流动的三维特性是影响翼型气动性能的重要因素,而二维模型并不适用于翼型气动性能的计算。

基于不同网格结构的LBM算法研究

传统的格子波尔兹曼方法(lattice--Boltzmann method,LBM)通常基于标准均匀网格,这主要取决于速度的空间离散格式.均匀网格结构的特点,使LBM在处理具有复杂边界的问题时遇到较大的困难,从而限制了它的应用.另外,对于较为复杂的流动,其流场存在流动变化剧烈和平缓的区域,在流动变化剧烈的区域,往往需要足够的网格点才能更好地捕捉到流场信息,而均匀网格会使得网格数量过多,这会增加计算量,但网格数量过少又无法获得必要的流场信息,使LBM的计算效率降低.为了解决上述问题,用不同的网格结构,以顶盖驱动的腔体内流、柱体绕流和翼型绕流为例,探讨了提高LBM算法的计算效率和适用性问题.

低速翼型绕流的多模态耦合与流动稳定性研究

采用非线性动力学理论对翼型绕流的多模态耦合机制进行研究,并阐释模态耦合作用与流动稳定性的关系。通过特征线有限元方法对翼型绕流问题进行数值计算,建立非定常流场数据库。为了分析流动稳定性和流动特征,利用本征正交分解提取流场中的特征模态,从而分析翼型绕流非定常流场的特征模态之间的相互作用关系,并给出了非线性流体动力系统中的不同模态作用与流动稳定性的关系。

前缘脱层对风力机翼型流场和气动性能的影响

为研究前缘磨损对翼型气动性能的影响,以风力机专用翼型S809为研究对象,采用SST k-ω湍流模型进行数值计算,研究不同前缘脱层深度对翼型流场和气动性能的影响.结果表明:前缘脱层改变了翼型形状,使得前缘流动变为台阶流动,造成后缘分离区变大、分离点前移.随着脱层深度和攻角的增大,吸力面前缘回流漩涡和后缘分离区由相互独立状态变为完全融合.同一攻角下,前缘脱层对前缘的压力系数影响较大.攻角小于3°时,前缘脱层对翼型的升、阻力系数影响较小,攻角大于3°后,随着脱层程度的加深,翼型的升力系数逐渐减小,阻力系数逐渐增大.相对于光滑翼型前缘脱层翼型升力损失率最高达55.08%,阻力增长率最大达150.48%.

风力机翼型气动特性数值计算及影响因素研究

二维翼型气动特性决定整个转子叶片的气动特性,分析二维翼型气动特性十分必要。文章介绍了翼型绕流及其升阻效应,并且对经典翼型NACA4415进行气动特性数值模拟计算,对翼型气动特性影响因素雷诺数、相对厚度、相对弯度等进行了研究。对翼型气动特性数值计算及其影响因素的研究,为三维叶片设计提供可靠参考,并对进一步叶片优化设计具有重要意义。

智能物面对非定常分离流的最优自适应控制

以低雷诺数二维大攻角翼型绕流为研究对象,将非定常动边界计算流体力学方法与最优控制方法有机结合,研究二维不可压非定常流智能物面最优自适应流动控制的理论与算法,并将其用于固定攻角和俯仰振荡翼型绕流.结果表明:在给定合适的最优控制目标函数下,智能物面可最优地实时改变形状,得到能显著提高翼型性能的最优翼型.最优翼型在非设计工况下的气动性能也比对照翼型有所提高.

附面层抽吸位置对翼型绕流分离控制的影响

为了深入研究抽吸作用位置对翼型绕流分离控制效果的影响,采用HLLC格式和双时间步长LU-SGS隐式算法对二维可压N-S方程进行数值求解,数值模拟了雷诺数Re为6 000时,NACA0012翼型在上翼面抽吸控制下的翼型绕流流场。研究了抽吸区域位置对翼型流动分离和翼型气动性能的影响。结果表明:同一抽吸系数下,合理的抽吸位置是有效改善翼型气动性能的重要因素,并且不同抽吸位置的作用机制不同。对于以开式分离为特征的NACA0012翼型绕流,其合理抽吸区域位于翼型前缘分离区内。

基于MDRκ-ε湍流模型的轻型运动飞机机翼绕流的数值分析

使用标准k-ε湍流模型和耗散率修正k-ε湍流模型分别对轻型运动飞机机翼低速绕流问题进行计算。计算了在来流攻角为13. 87°、雷诺数为1. 52×106条件下机翼表面压力系数分布和流向速度在流场中不同位置上的损耗情况,并与实验数据进行对比。结果表明:对机翼进行低速绕流数值计算时,使用耗散率修正k-ε湍流模型相较于标准k-ε湍流模型能更好的模拟出机翼尾迹流动中速度损耗情况。

机翼表面脉动压力的空间和频域特性数值研究

机翼表面脉动压力是大型客机近场噪声的主要来源之一,对其空间和频域分布特性开展研究有重要意义.采用大涡模拟方法对弦长1 m、后掠角45°的无限翼展NLF(2)-0415机翼的绕流场在Re_(C)=2.42×10^(6)的条件下开展了数值研究,分析了不同湍流来流条件及不同流动状态对机翼上表面时均流场及脉动压力声压级和功率谱的影响.计算结果表明:在本文条件下,机翼上表面脉动压力在转捩位置处有明显突增,湍流区声压级比层流区高出约20~30 dB;来流湍流强度对壁面脉动压力的影响主要集中在层流区,湍流区的壁面脉动压力对来流湍流强度变化反应不敏感;层流区脉动压力功率谱整体较低,且随频率的增加衰减较快,而湍流区脉动压力功率谱相比层流区在全频段均提升了约2~3个数量级,且谱级在低频段随频率的变化较小,在高频段则随频率增加以一定斜率下降.

可压缩机翼绕流的数值模拟及其稳定性分析

运用数值模拟的方法分别模拟了马赫数为0.5、攻角为3和8的可压缩的机翼绕流流动,同时研究了马赫数为0.75、攻角为1.5,5和8的具有激波的可压缩流动机翼绕流,模拟结果与实验数据符合良好。采用能量梯度方法分析了流体流动的稳定性,研究发现:Spalart-Allmaras湍流模型能够准确反映出可压缩机翼绕流流动的流场特性;对于未产生激波的可压缩机翼绕流,背风的一侧首先发生失稳,且在机翼前端的上缘首先发生失稳;对于具有激波的机翼绕流,激波处的能量梯度最大,首先发生失稳。

基于被动标量格子Boltzmann方法的翼型绕流数值模拟

采用格子Boltzm ann方法(lattice Boltzm ann m ethod,LBM)中的被动标量模型,不考虑温度的影响,采用合适的密度分布函数和碰撞处理,并在一般坐标系下完成迁移过程的插值。固壁边界条件采用无滑移边界条件,模拟了雷诺数为60 000,攻角分别为0度和8度状态下的NACA0012翼型绕流。其翼型表面流线图和压力云图分布结果均与D2Q9模型结果吻合较好,证明该方法能够很好的模拟低速翼型的绕流。并且,在方程中加入等离子体激励器简化的作用力模型,初步达到带攻角下流动分离的控制效果,证明了该方法在带有体积力项流动的数值模拟方面的优良特性。

NACA4412翼型低速绕流的定常/非定常计算对比研究

对NACA4412翼型低速绕流进行了定常/非定常数值计算。对流项及扩散项的空间离散分别采用Roe格式和二阶中心格式,时间方向采用了二阶精度的双时间步隐式方法求解,湍流模式采用了两方程SST k-ω模式。将定常/非定常数值计算结果与实验数据进行了对比,非定常计算显示出了翼型尾缘附近周期性脱落涡现象,尾迹流动区里非定常流动现象明显,时间平均的非定常计算结果与实验数据符合的更好。

用间接边界元方法求解不可压缩孤立...

本文对不可压二维翼型势流绕流的边界元法求解作了分析,在对基本方程与边界条件进行数值离散化时,将库塔条件代入基本方程。按本方法编制的计算机程序对若干算例进行了验算。结果表明,本文提出的方法是可靠的,该法计算简捷、方便,占用计算机内存少,具有实用意义。

低雷诺数下翼型绕流的格子Boltzmann方法数值模拟

文章采用混合格子Boltzmann方法模拟NACA0012翼型流场分离,该方法是将标准格子Boltzmann方法与非结构化有限体积方程相结合的一种方法。首先,分析不同网格分辨率下的计算精度;然后,分析了在雷诺数等于103的情况下不同攻角下翼型的气动特性;最后,计算了不同雷诺数下攻角为0°时的翼型流场。结果证明,混合格子Boltzmann方法在固体壁面有较高的计算精度,可以准确地评估翼型绕流流场。

高升力翼型复杂流动模拟中湍流模型性能评估

采用软件Fluent中工程常用的7个涡黏湍流模型对某种高升力3段翼的降落阶段绕流进行了数值模拟.通过和试验及经过试验校验过的延迟脱体模拟(delayed detached eddy simulation,DDES)结果进行详细的对比分析,包括翼型压力系数、马赫数、涡量场和湍动能分布等,系统地研究了常用涡黏湍流模型对该高升力翼型的模拟性能.结果表明:对于平均流场,standard k-ω模型的模拟性能最好,能较好预测翼型压力系数、襟翼分离区位置和大小等;SST(shear stress transport)k-ω模型性能也较好,一方程SA(Spalart-Allmaras)模型和四方程v^2-f模型具有相近的性能,而k-ε系列模型性能相对较差.对于湍流场的模拟性能,和上述平均流场对比所得结论相一致,但所有湍流模型均未预测出襟翼分离区附近湍动能"最大"的分布特征.

基于时程卷积自编码的机翼绕流特征识别方法

机翼周围的流动状态直接影响其受力特性,流动特征的识别与分析对保证机翼的气动力研究尤为关键。基于空间流场参数的流动特征识别结果受主观阈值影响大;基于流场快照数据的流动特征分析难以完整表征流场的时变特征,且大范围的流场快照获取难度大,因而其实用性受限。本文基于流场时程数据的低维表征模型提出了无监督自动编码的流场时程特征识别方法。采用深度学习技术充分挖掘时程信号中的隐含的流动特征,建立流场时程数据的低维表征模型;进一步对低维的表征编码进行分析,将包含不同时序特征的测点样本进行特征聚类,实现了基于空间点时程数据的流场特征提取与识别。通过对NACA0012翼型的流场进行特征提取与分析验证了所得流动特征低维表征的准确性,实现了基于流场时程数据的流动分离区自动识别。本文可为相关流场特征提取、特征分析和特征表征等问题的研究提供新的方法与参考。