固定转捩对不同系列及厚度翼型气动性能的影响研究

为探究翼型表面污染对其气动性能的影响,基于SST k-ω模型对DU、NACA44XX系列的不同厚度翼型的气动性能进行数值模拟,确定两系列翼型的固定转捩敏感位置,分析固定转捩对两系列及不同厚度翼型气动参数、失速特性及内流特征的影响。结果表明:不同的气动外形会明显改变翼型的转捩敏感位置,但相对厚度的变化不会对其产生影响,DU和NACA44XX系列翼型吸力面和压力面上的转捩敏感位置分别位于1%c、5%c处及1%c、9%c处;NACA44XX翼型受固定转捩的影响相较于DU翼型更大,并随厚度的增大其影响更加显著;相对厚度增大导致固定转捩位置附近的高涡量区和整体涡团尺寸进一步增大,气动外形和相对厚度对固定转捩敏感度的影响主要体现在尾缘处的分离涡。

风力机叶尖常用翼型结冰对其气动性能的影响

风力机叶尖位置结冰对其气动性能与功率输出影响显著。因此,针对实际运行风力机叶尖位置处翼型结冰前后的性能评估尤为重要。该研究基于GW87/1500型风力机运行条件,采用计算流体力学方法,以风力机叶尖常用的DU-96W-180、DU-95W-180、S810翼型为研究对象,分析3种叶尖翼型结冰特性和结冰前后气动性能变化。结果表明:在轻度、中度、重度3种结冰工况下,DU95-W-180翼型和DU96-W-180翼型结冰质量、结冰厚度和结冰极限相近,S810翼型结冰质量和结冰厚度较小。轻度结冰工况下,3种翼型最大升阻比所对应的攻角与未结冰时一致,为7°左右;中度结冰工况下,DU95-W-180、DU96-W-180两种翼型最大升阻比所对应的攻角仍为7°左右,而S810翼型最大升阻比所对应的攻角提前到5°附近;重度结冰工况下,3种翼型气动性能下降更加显著。不同结冰工况下,3种翼型前缘处压力系数发生剧烈振荡,压差减小,致使升力降低;结冰后翼型前缘及尾缘位置出现分离涡,且随结冰工况从轻度到重度,3种翼型表面流动分离加剧。3种翼型中,DU96-W-180翼型在结冰前后的气动性能更优。研究结果可以应用于寒冷地区风力机叶片设计时的翼型选型,以提高风力机的风能利用效率。

覆冰粗糙度对风力机叶片翼型失速特性影响分析

为探究覆冰粗糙度对风力机叶片翼型失速特性的影响,选取表面粗糙度作为敏感参数,基于FENSAP-ICE软件,结合覆冰粗糙度模型,对霜冰和明冰的结冰过程进行数值模拟。在Fluent中分析了覆冰粗糙度对两种冰形翼型失速性能的影响。结果表明:由于霜冰几何外形规则,对翼型失速性能影响较小,翼型失速性能受覆冰粗糙度变化影响较大,而明冰结冰翼型失速性能主要受其结冰形状影响,受覆冰粗糙度变化影响较小。前缘覆冰粗糙度与整体覆冰粗糙度相比,后者对结冰翼型的失速性能影响更大。无论是霜冰翼型还是明冰翼型,覆冰表面粗糙度高度越大对翼型失速性能影响越大。

仿鸮翼型风力机叶片气动弹性变形分析

为抑制风力机叶片的气动弹性变形,提出一种用于大型风力机的仿鸮类翼型改型设计方案.通过单向流固耦合方法分析了仿生翼型对叶片气动弹性变形的影响,并通过模态分析和共振响应阐述了仿生翼型抑制叶片气动弹性变形的机理.结果发现:与模型叶片相比,仿生翼型叶片气动弹性变形量降低了11.05%.仿生翼型使叶片压力面应力分布趋势发生改变,使叶片压力面的最大应力值由叶中转移至前缘.仿生翼型使叶片上下表面的压力差提高,且吸力面的压力值约为原来的2倍,使叶片提高了在挥舞方向的抗变形能力.同时,叶片的气动性能有所提高.仿生翼型使叶片的一阶至六阶固有频率升高;仿生翼型使叶片在挥舞方向上的共振变形量减小了89.23%,叶片的共振速度和加速度幅值也降低了.故仿生翼型能够有效抑制叶片的气动弹性变形,其设计方法及结论可为抑制大型风力机叶片的气动弹性变形研究提供一种新思路.

表面浅凹槽对NACA翼型叶片气动特性影响的研究

在小型风力机叶片表面设置浅凹槽可以实现对叶片周围流场的被动控制,以改善叶片的气动性能。文章对表面不同位置设置浅凹槽的NACA叶片在均匀流场中的表现进行了数值模拟,考察了前凹槽位置对叶片升阻比的影响。研究表明:随着攻角增大,在叶片上表面靠近尾部位置的流体发生分离;在叶片前缘下表面设置凹槽可以减小尾部流体分离的区域,使得后缘的分离泡明显消失,然而,叶片前缘附近的速度梯度增大;当攻角α=2°时带凹槽叶片的最大升阻比达到最大值,为109.5,比未设置凹槽叶片提升了13.8%;研究结果可为小型风力机NACA叶片设计提供有价值的参考。

基于鸮翼特征提升风力机叶片气动性能的研究

为了提高风能利用率,研发气动性能优异的叶片,以模仿鸮翼生物特征来提升大型风力机叶片的气动性能。选择以NREL 5MW风力机的叶片作为研究对象,基于生物翼型和传统翼型构建了组合翼型,并将其与鸮翼的非光滑前缘结构耦合,设计了具有这两种特征的仿生耦合叶片。根据相似理论,建立原型叶片和仿生耦合叶片的缩比模型,并通过数值计算方法探究仿生耦合叶片在不同风速下的气动性能。数值计算结果表明,相比原型叶片,在额定风速11.4m/s时,仿生耦合叶片的风能利用率提高了6.76%,当风速达到15m/s时,仿生耦合叶片的扭矩提高9.89%。在叶尖区域,仿生耦合叶片吸力面流速明显增强,增大了吸力面负压区域面积,进而增大了叶片表面压差。同时,仿生耦合叶片能够有效抑制展向流动,减小尾缘分离涡,增强弦向流动,降低湍动能强度,减小了能量的损耗。

基于多岛遗传算法的垂直轴风机翼型优化设计

为了解决垂直轴风力机的风能利用率在实际应用中低于水平轴风力机的问题,通过以多岛遗传算法为核心与翼型参数化、ICEM网格生成以及计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)流场计算相结合,并以翼型的升阻比为优化目标,建立优化模型,进而开发自动优化评估流程,完成翼型的优化设计与气动性能分析。结果表明:相比初始翼型,优化翼型是非对称翼型,其最大相对厚度降低1%,升阻比提高17.78%,升力系数提高16.7%,为0.11c(c为翼型的弦长);其最大相对厚度对应在弦上的位置向翼型的前缘移动了0.036c。且翼型弯度明显增加,中弧线偏移量最大值为0.0174c。优化翼型的前缘半径变化不大,但翼型尾缘夹角明显变小,翼型上翼面轮廓线相对平缓。

翼型与弦长对直线翼垂直轴风力机起动性能影响的数值模拟

为了探究翼型与弦长对直线翼垂直轴风力机起动性能的影响,选择了NACA0018、NACA0026、S809以及S1046四种翼型,40mm、60mm和80mm三种叶片弦长进行研究,其中S809翼型采用正装和反装两种方式。对不同条件下风力机的静态力矩性能以及转速性能进行数值模拟研究。静态力矩性能研究表明,随着叶片弦长的增大,风力机平均静态力矩增大。通过对比不同翼型的结果发现:NACA0026翼型平均静态力矩系数最大且达到稳定时间最短,S809翼型起动性能最差且反装时平均静态力矩系数最小,SI046翼型稳定转速最高。转速性能研究表明,叶片弦长的增大会增大叶片的质量,进而增大转动惯量,使得风力机的起动性能降低。本研究将对直线翼垂直轴风力机的设计提供有益的参考。

高效低载的三维风力机叶片外形优化设计方法

常规风力机叶片的优化设计都是从二维翼型开始的,且翼型总是以升阻比最大为优化目标。然而,二维翼型的升阻比最大和三维叶片的高风能利用率与低气动载荷有本质的不同,采用以往的叶片优化方法常常会在提高风能利用率的同时,使叶片所受的气动载荷也提高。针对这一问题,提出基于多岛遗传算法和动量叶素理论,在给定风况条件下,以加权风能利用率最高与气动载荷最小为目标函数,以叶片各个截面的翼型型线及扭角作为设计变量,对三维叶片开展多目标优化方法设计研究。并对某实际NREL Phase VI叶片进行优化设计,结果表明:在给定风况下相比原叶片,优化叶片在风能利用率提升了3.06%的基础上,叶根弯矩降低了11.68%。在变转速与变风况下,优化叶片的气动效率整体提升,叶根弯矩明显降低。

NREL 5 MW风力机叶片外部翼型结冰模拟

该文首先建立欧拉法水滴收集系数模型和风力机叶片翼型结冰模型,并以NACA0012翼型结冰算例验证该模型的有效性,而后开展NREL 5 MW风力机叶片外部翼型(NACA64618)结冰数值模拟,对风速、液态水含量和水滴直径等参数在结冰速率的影响方面进行了讨论。数值模拟结果表明:随攻角增大,NACA64618翼型结冰区域移向压力面,结冰厚度增加(最大增加量约为167%);增大风速、液态水含量和水滴直径均加剧NACA64618翼型结冰,结冰区域扩大、结冰量与结冰厚度增加。

大型风电长叶片气动外形的高效低载三维设计

海上风力机等大型风电设备叶片较长,所承受气动载荷较大,易产生变形,影响气动性能和运行稳定性。针对这一问题,以美国NREL实验室的5 MW大型风电叶片为例,对其进行以各截面翼型形线、安装角及额定功率下桨距角为设计变量的高效低载三维优化。优化基于动量叶素理论和多岛遗传算法,以叶根弯矩最低和风能利用率最大为优化目标,并将优化叶片与原始叶片于变桨、变风况下的气动性能进行对比。结果表明:在设计工况下,相较于原始叶片,优化叶片在保证高气动效率的同时叶根弯矩降低了5%;变风况条件下,变桨前优化叶片的风能利用率平均提升了1%,叶根弯矩平均降低了5.8%,变桨后优化叶片的叶根弯矩平均降低了4%。

阵风入流下翼型凹变对风力机气动噪声影响研究

基于自然风非稳定性的特点,依据风力机各项参数拟合出阵风函数,对某S翼型水平轴风力机进行三维非稳态数值计算和试验,研究阵风入流和稳定入流下翼型凹变对尾迹辐射声频谱、声辐射传播和尾迹涡量耗散的影响。结果表明:翼型凹变可有效降低尾迹气动噪声,其基频及倍频声压级明显低于原始叶片;随着轴向距离增加,翼型凹变叶片降噪效果逐渐增大,在轴向500 mm处声压级最大降低3.6 dB,且阵风入流下翼型凹变降噪效果大于稳定入流。同时,翼型凹变叶片尾迹涡量明显降低,验证了翼型凹变降噪的有效性。

CAS风力机叶片外侧翼型粗糙敏感性分析与优化

以最大升力系数下降率为评价指标,针对自主研发的风力机叶片外侧专用翼型CAS-W1-150/180/210进行粗糙敏感性核算和试验分析,并通过调整CAS-W1-210翼型前缘半径、尾缘厚度和上表面厚度以及采用S型后加载下表面尾形的方法,改善了翼型表面的压力分布,有效降低了此翼型的粗糙敏感性,优化得到了粗糙敏感性更低、气动性能更优的新翼型CAS-W2-210。

CAS风力机叶片薄翼型气动性能实验与分析

CAS-W1-150/180/210薄翼型是设计用于风力机叶片外侧的翼型,以它的风洞实验结果为基础,分析重复性测量精度与各因素对气动性能影响的趋势,并与国外同类翼型进行比较。分析两次不同时间的测量数据,结果表明升力系数重复精度相对较高,而阻力系数的重复精度相对较差,原因可能是尾迹排管中被测压力的波动及阻力的量级较小所致。与国外同类翼型比较表明:CAS翼型最大升力系数优于国外同类翼型,升阻比除CAS-W1-180翼型不好判断外,其他至少与国外同类翼型相当。另外,依据本实验和国外同类翼型的实验结果,分析雷诺数、粗糙度和几何参数对翼型升力特性的影响,尤其提出评价薄翼型粗糙度影响的合理指标,得到一些有参考价值的结论。

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。

直线翼垂直轴风力机气动特性研究综述

直线翼垂直轴风力机是当前升力型垂直轴风力机的典型代表,凭借着无需对风、结构简单、造型独特等优点在中小型风能利用领域受到越来越多的关注。但由于其气动特性复杂,且研究时间相对较短,尚有许多问题需要研究,还有很广阔的发展空间。本文以直线翼垂直轴风力机的气动特性研究为对象,介绍了风力机气动特性研究历程、研究现状、主要工作原理,及气动特性分析理论、常用的研究方法,尤其是对如何改善直线翼垂直轴风力机在低风速下的起动特性问题和高转速下的气动特性发挥问题的国内外研究进展进行了分析和总结,并对今后的研究趋势进行了展望。

水平轴风力机叶片非定常气动特性分析

针对水平轴风力机叶片的非定常气动特性,采用状态空间描述的、改进的B-L动态失速模型进行风力机翼型非定常气动力分析.模型采用不可压缩假设并忽略了前缘流动分离所产生的非定常效应,考虑气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应以揭示翼型在任意运动中的非定常气动力.模型用4个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中2个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另2个用于描述后缘分离效应,得到了风力机翼型非定常气动升力、阻力和力矩状态变量表达式及计算流程.通过对NACA0012风力机翼型的非定常气动力分析表明,模型能较好地描述风力机翼型的动态特性.

水平轴风力机叶片翼型光冰结冰的数值研究

利用FLUENT UDF(user defined function)对水平轴风力机叶片翼型的光冰结冰进行了数值研究,得到了叶片翼型光冰结冰的形状及增长过程.对结冰翼型气动性能的分析结果表明:相对于洁净翼型,边界层在结冰翼型尾缘提前分离,并产生较大的分离涡,这将减少翼型的升力,同时增大阻力,其最大升阻比下降约40%,严重降低了叶片翼型的气动性能.对结冰的厚度分析表明:最大结冰厚度随着风速的增大而增大,且基本呈线性关系,最大结冰厚度随环境温度升高而降低.

基于翼型内部结构的风力机叶片动力学特性有限元分析

基于ANSYS Workbench软件,对翼型内部结构为单腹板和双腹板的风力机叶片进行了模态、应力和应变分析,获得了叶片前6阶振动频率、应力分布云图和叶片变形云图。研究结果表明,在静频情况下,单腹板结构的一阶振动频率为4.052 7Hz,双腹板结构为4.048 6Hz,且单腹板结构的各阶固有频率均比双腹板结构略大;在转速作用下,单腹板结构的第一阶振动频率增加了0.164 4 Hz,双腹板结构增加了0.162 9Hz,单/双腹板风力机叶片振动频率的变化规律受转速影响的差异很小;在相同载荷作用下,单/双腹板结构的最大应力分别为127.77 MPa和124.21 MPa,单/双腹板结构的叶尖挠度分别为378.16 mm和347.54mm,故双腹板风力机叶片的力学性能要优于单腹板风力机叶片。

10kW风力机叶片翼型气动性能的模拟及其优化

根据10kW风力机的工况,选取NREL中的S809翼型,分别采用Fluent软件和XFOIL法对其气动性能进行模拟分析,并将模拟结果与其风洞实验数据进行对比,结果显示XFOIL法具有更高的计算精度;根据叶片沿展长方向的不同要求,提出不同展长位置翼型的优化目标,采用XFOIL法中的反设计优化法,分别对不同位置的翼型进行优化;最后将优化后的翼型结构参数导入GH-Bladed软件,得到优化前后叶片风能利用系数与叶尖速比之间的关系,从而使优化后的翼型具有更宽的叶尖速比,叶片的气动性能得到改善,所得结果对10kW风力机叶片的设计具有指导意义。