前缘改形对风力机翼型气动性能影响的数值研究

基于翼型参数化方法对翼型S809进行4类不同的前缘修改,分别为前缘压力面加厚、前缘吸力面加厚、前缘上弯和前缘下弯,采用翼型设计分析软件Xfoil和商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件FLUENT分别对翼型气动参数和翼型周围流场进行计算。结果表明:翼型气动特性与流场特性受翼型压力面外形变化影响较小;在研究范围内,翼型吸力面加厚使得翼型在失速区升力系数增加,阻力系数减小;翼型前缘上弯使得翼型在大攻角工况下升力系数减小,阻力系数增大,且使翼型提前失速;在一定范围内翼型前缘下弯,使得翼型升力系数增大,阻力系数减小,且延迟失速。     

前缘改形对翼型气动噪声特性影响

为得到高气动性能、低噪声的风力机专用翼型,基于参数化建模翼型,研究前缘外形对风力机翼型气动性能及气动噪声的影响规律。通过分离涡模拟方法和声学类比方程建立噪声预测方法。针对非对称翼型S809通过样条函数参数化处理前缘改形进行气动噪声计算。结果表明:翼型压力面前缘加厚,对翼型升阻力系数无明显影响,但大攻角时翼型周围压力分布均匀,流动相对稳定,且气动噪声声压级低于原始翼型,随压力面厚度增加气动噪声越大;吸力面加厚使得翼型升力系数增大,阻力系数减小,能抑制翼型失速时尾缘涡与前缘涡的生成,变形量越大气动噪声越小;翼型前缘上弯,翼型在失速区升力系数减小,阻力系数增大,流动越加不稳定,声压级随着攻角的增加呈递增趋势;翼型前缘下弯,翼型处于失速区升力系数增大,阻力系数减小,能抑制流动分离,未生成前缘涡和尾缘涡,当前缘下弯不变时,随加厚厚度增加翼型声压级呈减小趋势,且前缘下弯翼型声压级小于前缘上弯。     

翼型前缘对翼型动态气动性能影响的数值分析

为研究前缘对翼型气动性能影响,以NACA0012翼型为基础,通过曲线参数化方法改变翼型前缘吸力面及压力面型线,设计了8种不同前缘的翼型,并采用SST k-ω湍流模型研究了翼型在俯仰运动过程中的动态失速特性。结果表明:翼型动态失速特性受翼型压力面外形的影响较小;翼型吸力面加厚,将有效改善俯仰运动过程中的动态气动性能;翼型前缘弯度上弯将加剧翼型失速现象;翼型前缘弯度下弯可在一定程度上有效抑制动态失速现象,且变形量越大,抑制效果越好。     

颗粒直径对风力机翼型动态失速特性的影响研究

采用CFD方法对风力机翼型在不同直径颗粒下的动态失速特性进行建模与数值模拟。首先,针对二维NACA 0012翼型,采用SST k-ω湍流模型对连续相与离散相耦合进行建模数值;其次,验证SST k-ω湍流模型的准确性,并对离散相模型进行可行性分析;最后,分析颗粒直径对翼型动态失速气动性能和翼型周围流场的影响,同时给出不同直径颗粒的质量浓度分布规律。研究表明：当颗粒直径小于50μm时,颗粒直径越大,升力系数变化越大,翼型前缘附近的涡量也越大,大量颗粒聚集在翼型的吸力面;当颗粒直径为50μm时,翼型运动到振荡周期的任何攻角下,升力系数都在减小,翼型前缘处的流场发生改变,涡量减小,涡强减小,大量颗粒聚集在翼型压力面,分离点后移;当颗粒直径大于50μm时,在大攻角下影响较大,小攻角下影响较小,且升力系数都在减小,翼型前缘附近的涡量随颗粒直径的增加而减小,大量颗粒聚集在翼型整个压力面上。     

尾缘修剪对风力机翼型气动性能的影响

对S809和S805 2种厚度不同的翼型进行尾缘修剪,采用翼型设计分析软件Xfoil对修剪前后翼型的气动性能进行计算,研究了不同程度尾缘修剪对翼型气动性能的影响,并采用CFD数值模拟方法进行流场特性分析.结果表明:尾缘修剪后会引起翼型在附着流区升力系数减小,最大升阻比减小,减小程度随着修剪程度的增加而加剧;对于厚度不同的翼型,尾缘修剪对其影响的主要区别在于失速区较厚翼型阻力系数减小,较薄翼型升力系数增大;翼型表面压力系数因尾缘修剪而发生改变,较厚翼型压力分布变化较为明显;尾缘修剪对尾流的扰动会影响翼型表面其他部位的流动,进而影响翼型气动性能.     

吹吸联合射流对垂直轴风力机气动特性的影响研究

针对垂直轴风力机(VAWT)复杂流场特性,提出一种基于吹吸联合射流的主动流动控制方法,以抑制攻角周期性变化导致的动态失速现象。通过在翼型吸力面前缘和压力面尾缘同时进行吸气与吹气,采用高精度数值模拟研究其对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明：在中低叶尖速比下吹吸联合射流对功率系数的提升效果最为明显,并能显著减缓叶片动态失速现象,消除整机负转矩,进而减小叶片离心力以及增加风轮的稳定性与安全性。     

零质量射流对风力机翼型动态失速特性的影响

为了改善风力机大厚度翼型的气动性能,采用零质量射流对翼型附近的流动进行流动控制。采用非定常雷诺时均模拟方法(URANS)对动态失速状态下带零质量射流的DU97-W-300翼型的绕流场进行数值模拟,并对比控制前和控制后的翼型气动特性。结果表明,随着射流折合频率的增加,翼型失速攻角逐渐增大,升力系数曲线的波动次数逐渐减小。零质量射流可以有效抑制流动分离,其抑制动态失速的能力随翼型折合频率的增加而增强,随激励器动量系数的增加而增强。     

尾缘襟翼动态气动特性与控制策略研究

为改善风力机动态气动特性及延长其运行寿命,基于NACA0012翼型,设计应用于垂直轴风力机的襟翼翼型,通过CFD计算得到运行时流场、力矩系数及升阻力特性。以此为基础给出两种襟翼控制策略,通过改变不同方位角下襟翼摆角,达到抑制尾涡分离、延迟动态失速和降低气动力剧烈波动变化幅度的目的。计算结果显示翼型上仰过程中脱落的涡主要呈条状,而下俯过程中脱落的涡则呈圆形,且条状尾涡的升阻力特性明显优于圆形尾涡。由此提出一种减幅控制策略,极大地减少了尾涡分离现象,减小最大转矩达50%。同时为防止风力机转速过快,提出一种襟翼控制策略调节翼型失速从而达到气动刹车效果,增大襟翼摆角可促使翼型尾缘失速涡快速脱落,迅速增大翼型的阻力系数,且随襟翼摆角的增大,力矩系数也随之减小,减速效果越明显。     

襟翼翼缝结构改进设计控制流动分离的数值研究

翼缝是翼型主体与襟翼之间的缝隙,对翼型气动性能与流场结构有很大影响。以两段式NACA0018翼型为基础翼型,对传统弯曲翼缝进行改进设计与数值模拟,以期增大失速攻角及改善在大攻角下的气动性能。结果表明:在小攻角下,导叶翼缝襟翼翼型的升力较原始NACA0018翼型小,阻力较大,但在大攻角下,导叶翼缝可减小翼缝中流体的速度损失,为翼型上表面边界层提供更多动能,从而改善流场结构及失速特性,弯曲翼缝可增大1°失速攻角,而导叶翼缝可增大8°,攻角为18°时升力系数较弯曲翼缝提升43%。因此,导叶翼缝可极大地改善翼型在大攻角下的气动性能。     

主动式气动滑片对翼型气动及噪声特性影响研究

动态失速现象严重影响风力机气动性能,在翼型前缘布置主动式气动滑片可有效改善失速现象。为此基于NACA0012翼型,通过数值模拟研究气动滑片对翼型气动性能及噪声特性的影响。结果表明：前缘气动滑片可有效提高翼型上仰过程中的气动性能,较原始翼型气动滑片翼型的平均升力系数提高24.2%、阻力系数降低11.7%;翼型上仰过程中,气动滑片可抑制前缘分离涡向尾缘发展,延缓前缘与尾缘分离涡的融合,阻止分离涡从翼型表面脱落;气动滑片并未增加翼型噪声水平,但降低了翼型尾缘压力功率谱主频;当改变翼型折合频率时,气动滑片翼型的总声压级与原始翼型保持一致。     

V型沟槽对钝尾缘翼型流场分布及气动性能影响的研究

基于k-ωSST湍流模型,利用商业CFD工具ANSYS Fluent 16.0对DU35-17原始翼型、钝尾缘修型翼型及布置V型沟槽钝尾缘翼型进行数值模拟计算,对翼型改进前后的升阻力系数、流场分布和表面压力系数进行对比分析.结果表明,翼型在钝尾缘修型的同时布置V型沟槽,通过改变翼型尾缘处的压力分布和翼型表面的流动分布,...     

不同相对厚度前缘缝翼对S809翼型气动性能的影响

文章通过数值模拟方法研究了不同相对厚度的前缘缝翼对S809翼型气动性能的影响,并揭示了前缘缝翼相对厚度对流动控制产生影响的机理。研究结果表明:在大攻角下,空气流经过前缘缝翼会在其尾部产生涡旋,尾缘涡旋的形成有助于抑制S809翼型流动分离,进而改善翼型绕流场;不同相对厚度的前缘缝翼产生尾缘涡旋不同的流动轨迹,对翼型的流动控制作用效果不同;相同条件下,前缘安装最大相对厚度为35%的前缘缝翼能够将S809翼型最大升力系数提升至1.25,失速攻角推迟至17.21°;安装最大相对厚度为14%的前缘缝翼,能够使S809翼型最大升力系数提升至1.53,并使翼型在攻角为20.16°时仍未发生失速。     

凹凸前缘叶片气动性能与绕流流场数值研究

以NACA0018翼型为原始模型进行前缘结构设计,采用计算流体动力学(CFD)方法分析凹凸前缘结构参数对叶片绕流流动及气动性能的影响。结果表明:在0°～10°攻角范围内,凹凸前缘叶片气动性能与原始叶片基本一致,但在15°～25°攻角范围内,正弦波形凹凸前缘叶片升力系数最大提升20.2%;叠加波形凹凸前缘叶片在15°～25°攻角内,气动性能均有不同程度的下降,波峰处推迟分离,而在波谷分离提前,在吸力面每个波谷顺流方向叶片及展向形成反向涡对,相互卷吸并与主流掺混增加能量交换向尾缘处移动,改变了叶片原始流场反馈回路,阻碍了叶片展向涡及流向涡的发展。     

尾缘襟翼对风力机翼型气动特性影响研究

尾缘襟翼(TEF)因其对翼型气动特性的调控能力,被认为是降低叶片疲劳和局部载荷最具可行性的气动控制部件。对TEF进行建模,采用Xfoil和CFD软件分析了TEF对翼型气动特性的影响及其机理,并从叶素理论角度对变化来流下TEF的减载效果进行了验证,结果表明:TEF位于不同摆角时翼型升阻力系数均有不同程度的变化,TEF可有效实现对翼型气动特性的主动控制;TEF摆动改变了翼型表面的静压分布和流动状态,进而对翼型升阻力和失速攻角产生影响;TEF可快速有效降低风速突然增加后的叶素受力,进而控制并减小叶片载荷。     

Quantification of the S817 airfoil aerodynamic properties and their control using synthetic jet actuators

Wind tunnel experiments were conducted at Rensselaer Polytechnic Institute's Center for Flow Physics and Control's subsonic wind tunnel, which experimentally quantified the aerodynamic performance of the S817 airfoil. This study has two main thrusts: Experimentally evaluate common aerodynamic properties of the S817 airfoil, and develop flow control strategies using continuously actuated and pulse‐modulated synthetic jets for future field testing to show the reduction of unsteady loading and increased aerodynamic performance. Quasi‐2D and finite span 3D configurations were utilized, where integrated aerodynamic loading, surface pressure, and stereoscopic particle image velocimetry data were collected to quantify the overall aerodynamic performance and stall characteristics of this airfoil. Experiments showed that synthetic jets, located at x/c=0.35 and angled at 45° with respect to the surface, increased the lift curve slope by 3.8%, the maximum lift coefficient by 10.5%, increased the L/D by as much as 39% at high angles of attack and delayed the stall angle of attack by 3°. Global particle image velocimetry measurements quantified the flowfield and showed flow reattachment could be achieved at various angles of attack using flow control where the flow would otherwise be separated. Near field measurements of the synthetic jet orifice yielded insight as to how synthetic jets interact with the cross‐flow in the time‐ and phase‐averaged sense. For very high angles of attack, a pulsed modulation technique was implemented, demonstrating flow reattachment in scenarios where a sinusoidal synthetic jet actuation scheme was unable to reattach the flow, with the benefit of achieving this with lower energy consumption compared with sinusoidal actuation.     

Exploration in optimal design of an airfoil with a leading edge rotating cylinder

<正>Based on the theory of moving surface boundary layer control(MSBC),a concept of an airfoil having a rotating cylinder at the leading edge has been developed and experimentally proven to have good aerodynamic performance even at large angles of attack.Thus,this research aims to give guidance on optimizing the design of this kind of airfoil with high lift coefficients.Using computational fluid dynamics(CFD)technique,the CFD simulation results have been compared with the experimental results available in the literature,and then the SST two-equation model is selected as the appropriate turbulence model.At a given cylinder surface velocity ratio,the cylinder diameter d,the drop height of trailing edgeδand the curvatures of the pressure and suction surfaces of the airfoil are regarded as the optimal design parameters and the airfoil lift coefficient is considered as the optimization objective function.Therefore,using orthogonal optimization method,we herein develop a new design of airfoil favorable for having a rotating leading edge.It has been numerically proven that the resulting airfoil has good capability of achieving a substantially superior performance when compared to the airfoils of the prior art.     

风力机翼型等速上仰动态失速数值模拟

采用κ-ωSST模型,利用CFD软件模拟了NREL S809翼型正弦振荡动态失速,并将结果和俄亥俄州立大学（OSU）风洞试验值对比,显示出较好的一致性,验证了所用方法的有效性．在此基础上对该翼型在雷诺数Re=1．0×10^6时以攻角变化率α=34．54（＊）·s^-1等速上仰动态失速过程进行了数值模拟,详细描述了等速上仰动态失速过程涡的发展以及翼型周围流场的分布．结果表明,动态失速现象是由前缘主涡和尾缘逆向涡交替作用引起;其气动特性曲线的分析结果表明,其失速前气动性能较静态时有较大提升．     

低雷诺数下凹坑结构对翼型层流分离影响的数值研究

在低雷诺数Re工况下,翼型表面容易发生流动分离,形成的层流分离泡会导致翼型气动性能恶化,且分离泡在尾缘周期性脱落,会诱发振动,影响叶片的结构安全。文章以NACA4415翼型为例,采用大涡模拟(LES)方法,在低Re下,对光滑翼型及布置凹坑结构翼型的层流分离进行了研究。研究结果表明:凹坑结构对翼型在低Re下出现的层流分离现象有较好的抑制作用,凹坑结构翼型在尾缘的分离流更加贴近翼型表面,凹坑结构翼型尾缘附近的分离涡明显减少;凹坑结构改善了低Re工况下翼型的气动性能,深径比h/d为0.25时,翼型升、阻比达到最大18.23。