基于ISIGHT平台的S3525翼型优化研究

为了给双向轴流式叶轮提供水动力特性较高的优秀翼型,基于ISIGHT多学科优化平台,结合改进后适用于S翼型重构的CST参数化方法和Latin Hypercube优化方法构建了自动寻优平台,并对优化前后翼型的水动力特性进行对比分析。结果表明：优化翼型的适用攻角范围明显拓宽,升阻比及升力系数均有效提升,最优升阻比较原始翼型提升了45.5%。优化翼型的损失增幅从5°攻角处开始变大,相较于原型延迟1°,同时减小了翼型上翼面前缘区域处的逆压梯度、抑制了该区域内的流动分离现象。研究结果有助于推进双向轴流式水力机械性能的提升,同时可为类似研究提供有益借鉴。     

基于S翼型的潮流能水轮机叶轮仿真与实验研究

为了进一步探究潮流能水轮机叶轮性能优化原理及方法,对基于NACA24112翼型改进的S翼型进行了仿真与实验研究。通过ANSYS Workbench有限元仿真软件以及典型水轮机叶片设计方法,研究了优化翼型的水动力性能,并对新叶轮进行了建模、水动力仿真分析以及样机实验。结果表明:新型S翼型最佳设计攻角在12°~16°之间;叶轮具有良好双向来流吸收能力,但叶片前半段存在扰流现象,并对后方流场影响较长;样机实验表明实验负载阻值最佳取值区间在23~26Ω之间;叶轮的最优水速在2m/s左右,获能效率可达40%上下。     

前缘涡振圆柱对翼型气动性能的影响

为推迟叶片表面流动分离,提升叶片气动性能,提出在叶片前缘附近设置具有涡激振动效应的钢丝。针对叶片前缘设置钢丝的问题,从二维问题开始,将弹性支承的微小圆柱安装在NACA0012翼型前缘正上方。采用ANSYS Fluent及其用户自定义函数接口对涡激振动问题进行数值模拟。侧重分析圆柱在共振状态下,不同圆柱直径和圆心到翼型前缘距离时的翼型气动性能。结果表明,在较大攻角下,合适的微小圆柱几何及位置参数可以推迟翼型的静态失速,提升翼型在一定攻角范围内的气动性能,但在来流攻角较小时,这类微小圆柱的流动控制效果是负面的。同时对比圆柱在共振与非共振状态下翼型的气动性能,发现共振圆柱可使翼型更快地脱离失速初期阶段升力系数的骤降,提升翼型的稳定性,但在其他攻角范围内,两者的升阻力系数差异不明显。相关研究成果可为翼型前缘布置微小圆柱这一流动控制方法的研究及应用提供指导。     

基于最大风能利用系数的风力机翼型设计

以叶素动量理论为基础,对翼型风能利用系数进行循环迭代以求解其最大值,同时分析翼型在各段升阻比范围内升阻比增加对风能系数的影响.针对风力机展向各处对翼型设计的不同要求,基于翼型型线与噪声预测理论,综合考虑翼型的前缘粗糙度敏感性、非设计工况特性、失速特性、噪声特性以及风力机的使用寿命,提出以多攻角范围内翼型风能利用系数为设计目标来设计翼型的新方法.计算实例选取相对厚度为18%的翼型进行优化计算,得到一种性能优越的风力机专用翼型,通过和风力机常用翼型NACA 63418在雷诺数Re=2×106和Re=6×106下自由转捩和固定转捩两种工况时性能的综合比较,新翼型在5°～14°攻角范围内具有良好的粗糙度敏感性、非设计工况特性、失速特性以及低噪声,同时也具有更高的风能利用系数,很好地满足了风力机专用翼型的设计要求.     

关于对称翼型气动特性数值模拟的研究

针对NACA0012、NACA0015、NACA0018这3种翼型的绕流流动,建立二维湍流模型,利用Fluent软件对翼型不同来流攻角下的气动特性进行数值模拟计算。湍流模型采用SST k-ω模型处理,得出雷诺数在0.82×106时翼型的升阻系数、升阻比随来流攻角的变化关系,并与相对应的翼型试验数据对比,验证了数值模拟的可靠性。结果表明,NACA0018翼型与其他2种翼型相比,具有较高的升力系数、升阻比和更好的失速性能。     

随机风况下风力机翼型结冰对气动特性的影响研究

风力机叶片表面结冰会影响风力机风能吸收效率及安全性。采用计算流体力学(CFD)可以模拟叶片表面结冰过程及其对风力机气动性能的影响。但传统的CFD模拟不能考虑来流风况的随机性。本文采用FENSAP软件模拟了NREL S825翼型表面的结冰过程,采用雷诺平均NS (RANS)模拟研究了结冰对该翼型气动特性的影响。为了研究来流风况的随机性对结冰过程及翼型气动特效的影响,基于概率配置点的非嵌入式多项式混沌方法与RANS模拟进行耦合,研究来流风速和攻角为高斯分布的随机参数时翼型表面冰型的变化,获得了冰型变化的统计特性,以及结冰后翼型气动性能的响应特性。研究结果表明,较洁净翼型相比,结冰后的翼型气动性能下降严重。与攻角的波动相比,来流风速的不确定波动对结冰后翼型的气动性能影响更大。大攻角下,确定性计算会低估攻角对结冰的影响,进而低估对升力系数的影响。风速和攻角的耦合作用削弱了不确定性对气动特性的影响。     

基于MIGA算法的完全对称翼型优化设计方法研究

提出了一种利用6控制点5阶Bezier多项式对完全对称翼型进行表达的参数化设计方法，并通过6个无量纲的横纵坐标控制系数和翼型最大相对厚度控制翼型型线。采用Fortran语言编写翼型参数化设计程序代码，并与ICEM网格划分和Fluent流场仿真一起集成到Isight自动优化平台，利用多岛遗传算法对相应的目标函数进行求解，实现了完全对称翼型的优化设计。以相对厚度为16%的椭圆翼型为参考，取4°、8°和12°为设计攻角，在Re=2.5×106的条件下，设计得到一款翼型A。与参考翼型对比结果显示，优化翼型A的型线接近菱形，其载荷在x/c∈(0.04,0.3)的区域减小，而在x/c∈(0.3,0.96)的区域增加，沿弦线方向载荷分布更加均衡。此外，在设计攻角下，优化翼型A的升阻比分别增加了28.56%和17.64%，在非设计攻角下，其气动性能也得到显著提升，印证了构建的优化设计方法的可靠性，为其他复杂可逆翼型的优化设计奠定了良好的理论基础。     

基于流固耦合作用的柔性体流噪声降噪机理研究

舵体与流体相互作用产生的流噪声是水动力噪声的主要来源之一,这种噪声以宽频噪声为主,一般的降噪措施难以对其进行有效控制,而柔性舵体提供了解决的技术方案。以柔性NACA0018翼型为对象,基于流场大涡模拟、考虑任意运动固体边界的声学FW-H方程、并进一步利用弱耦合流固耦合算法考虑流体与柔性体的相互作用,对柔性翼型绕流非定常流场及流致噪声进行仿真,系统地分析不同攻角下柔性体的变形对流动、声源特性及流噪声辐射特性的影响。仿真结果表明:柔性体的变形延缓了壁面的流动分离,减小了湍流区,并抑制了壁面的压力脉动;降低了转捩区和湍流区的壁面声源强度,层流区的声源强度在大攻角下减小,而在小攻角下增大;随着攻角的变化,远场辐射噪声总声压级在翼型弦长方向和法线方向上呈现不同的变化规律,噪声频谱特性也表现出不同的规律。     

影响风力发电机翼型气动性能的因素研究

翼型气动性能的优劣影响着风力发电机的发电效率,研究影响叶片翼型气动性能的因素具有重要意义。本文采用数值方法计算了文献中NACA0012翼型在Re=10^6时的气动性能参数并与试验值比较,验证了数值方法的正确性。通过对相对厚度、相对弯度、雷诺数等影响翼型气动特性的参数进行研究,结果表明:相对厚度小的翼型在小攻角范围可以获得更好的气动性能;当攻角大于失速角12°后,相对厚度大的翼型的气动性能更佳。在0°~20°攻角范围内,相对弯度和雷诺数越大,翼型的气动性能越好。     

气动弹片对翼型气动及噪声特性的影响

在NACA0018翼型吸力面布置固定气动弹片后,比较了原始翼型和弹片翼型的气动性能及噪声特性。采用数值模拟方法,在6°～24°范围内计算攻角气动弹片对翼型气动性能及噪声特性的影响,并分析了其流动控制机理。结果表明：气动弹片在大攻角下的效果较好,升力系数可提高37.11%,且可减缓流动分离向前缘发展,提高气流下洗能力;攻角较大时,气动弹片可以减小翼型在接收点处的噪声总声压级的4.23%,且翼型噪声总声压级在指向性分布上呈现偶极子特性。     

翼型厚度对风力机翼型气动特性的影响

在Re=3×106下,基于k-w SST两方程湍流模型对两种不同厚度的NREL风力机专用翼型进行了数值模拟,重点研究了-5°～15°攻角下不同厚度对翼型气动特性的影响规律。非定常计算结果表明:不同厚度对翼型气动性能影响显著,在某一小攻角范围,较小厚度值可获得较大升阻比,在大攻角翼型发生失速时,较大厚度值可提高翼型的升阻比,拓宽高升阻比的攻角范围,有效改善翼型的分离流动特性。     

基于FLUENT的导弹气动特性仿真分析

针对国外新型轻质超音速导弹欧洲燕,进行导弹三维实体模型构建,开展其黏性定常绕流特性数值仿真计算.基本模型仿真结果表明:末端飞行马赫数1.5时,导弹升力系数在20°攻角以前呈线性变化关系,至25°攻角仍未出现失速迹象,相应沿升力方向过载系数27.33,机动能力强;导弹升阻比在攻角15°时达到最大值,为1.68;导弹气动压心在0°攻角时靠近尾翼,静稳定度最大,导弹周围流谱清晰.研究可为掌握该新型导弹的气动飞行性能提供基础和参考.     

海流发电装置的叶片翼型改进研究

利用海流发电装置原位地捕获能量将成为实现海底观测仪器长期供电的一种新方式。对海流发电装置翼型前缘及后缘进行结构改进,并利用FLUENT软件和k-ω SST两方程湍流模型对翼型绕流问题进行求解,结果表明前缘半径适当增大,最大升阻比增大,失速攻角将变大;而采用对称增加后缘厚度的方法,升力系数随厚度增大略有提升,但阻力系数亦同时增大。     

风力机叶片翼型的气动特性研究

选取S818叶片翼型进行二维几何模型,采用适合翼型流动的Spalart-Allmaras湍流模型,对Base翼型和95%弦长处带Microtab的翼型进行数值模拟分析,得到在不同攻角下的升阻比、表面压力和速度矢量图。从流场计算结果看出95%弦长处带microtab的翼型在0°到12°攻角范围内气动性能有明显提高;带microtab的翼型改变了后驻点位置,使其出现在了microtab末端,增加了气动曲面环量,从而增加了翼型升力。     

S型潮流能发电装置叶轮设计及性能研究

为了提高潮流能的能量利用率，设计了一种能够迎合双向来流且获能系数高的叶轮。首先，通过Ansys中的Fluent模块对两种基本翼型进行水动力特性的研究，选择性能更佳的翼型设计出S型可逆翼型，再对叶轮进行数值模拟，检验S型可逆翼型是否能提高潮流能的能源利用率。结果表明：非对称带有弯度的翼型有更好的升力系数，并且反向对接时，所设计的S型可逆翼型结构更平坦的性能更佳；所设计的叶轮在不同流速下的数值模拟，分析不同工况下的水动力特性，表明S型可逆翼型能量利用率明显提高，可有效地应用于潮流能发电装置叶轮的设计。     

正弦波形前缘叶片气动噪声特性的数值研究

受猫头鹰翅膀前缘锯齿和座头鲸鳍肢前缘凸起的启发,本文在NACA0018翼型的基础上,设计出单波长和双波长叠加前缘仿生结构,通过数值方法研究仿生翼型的噪声辐射特性。结果表明:在0°攻角均匀来流下,仿生翼型翼面上的压力脉动整体上有明显降低,幅值最大减小50 Pa,且主峰频率值发生频移,仿生翼型改变了原始翼型的流场和涡脱落结构;正弦波形前缘叶片声压级随着相对振幅h/C的增大而减小,随着相对波长λ/C的减小而减小;仿生结构可以抑制叶片窄带尖峰噪声,使翼型在整个频率范围内表现出宽频特性;低频下,仿生翼型声压级与原型相差最大,降噪效果最好,翼型声源为典型偶极子源噪声,其声学指向性呈"8"字状,该特征随声辐射的频率增大而消失。综合分析后,叠加波形前缘叶片F声学性能最佳。     

FSC赛车尾翼攻角对弯道性能影响的研究

以FSC方程式赛车模型为研究对象,利用虚拟风洞实验(VWT)探讨不同尾翼攻角对整车气动性能的影响,得到赛车气动升力特性。考虑了轮胎的非线性,从赛车转弯时轮荷变化入手,研究赛车不同尾翼攻角对应的轮胎侧向力分配及最大侧向加速度。研究结果表明,在一定范围内增大尾翼攻角可获得较大的侧向加速度,且可以降低赛车过弯侧翻的风险。尾翼攻角增加到20°附近后,由于尾翼失速会造成下压力损失,继续增大攻角反而不利于获得较大侧向加速度。最后,研究了赛车在不同尾翼攻角下的稳态转向特性,结果表明,适当增大尾翼攻角可以削弱赛车过多转向特性的趋势。     

雷诺数对DU系列翼型气动性能的影响

针对雷诺数对大型风力机常用的DU系列翼型气动性能的影响,以DU25、DU30、DU40三种厚度翼型为研究对象,采用Gambit6.3对模型进行流场网格划分,利用商用CFD软件Fluent14.0对其进行气动性能计算,并对其升力特性、阻力特性、升阻比及力矩系数等气动性能参数在(0~30)°攻角范围内进行了分析比较。结果表明,在一定攻角范围内,雷诺数越大翼型的升力系数越大,阻力系数越小,升阻比越大,并且翼型的相对厚度越小,其气动性能受雷诺数影响越大。研究结果为今后的风力机叶片设计及优化提供了一定的参考依据,对片优化具有一定的指导意义。     

合成射流控制参数对大攻角下翼型气动性能的影响

通过数值模拟的方法,对合成射流控制NACA 0012大攻角下翼型流动分离的参数进行了研究.结果表明:对于射流出口宽度为翼型弦长的0.5％,翼型在18°～24°攻角下的流场,当合成射流作用在翼型头部1％弦长位置,吹气速度比为1,无量纲激励频率在1 附近时,可以达到较好的改善翼型整体气动性能的效果.通过对翼型表面压强系数分...     

雷诺数对风力机专用翼型气动性能影响的研究

雷诺数是影响翼型气动特性的主要参数之一,当雷诺数在5×10~5～1×10~7范围内变化时,基于N-S控制方程,对S827翼型在攻角α为-14°～45°范围内变化时的气动特性进行数值计算,研究了雷诺数对该翼型的升力特性、阻力特性、最大升力系数、最大升阻比、流动分离特性、失速特性等气动特性的影响.