俯仰风力机翼型动态失速数值模拟

利用带转捩修正的k-ωSST湍流模型,对绕其1/4弦长点作正弦波周期性振荡的S809翼型,在弦长雷诺数为106,不同的平均攻角、振荡幅度以及折合频率情况下的流场进行二维数值模拟.数值模拟得到的升力、阻力和俯仰力矩系数与OSU风洞试验的数据进行比较,对比显示两者的气动力迟滞闭环具有良好的一致性.利用流线分布对各工况下的动态流场特性以及动态失速涡的发展进行详细描述,证明CFD方法是预测风力机翼型动态失速特性的有效途径之一,分析了动态失速对于实际运行的风力机的影响,说明在风力机性能预估中考虑动态失速影响的必要性.     

凹槽-襟翼对翼型动态失速特性影响研究

风力机复杂运行环境使叶片常处于失速环境,导致翼型升力骤降,严重影响风力机气动性能.为改善翼型流动分离,延缓失速,对凹槽-襟翼对翼型动态失速特性作用效果开展研究,并利用计算流体力学方法分析不同折合频率与翼型厚度时凹槽-襟翼对翼型气动性能的影响.结果表明:俯仰振荡过程中,凹槽-襟翼可有效提升翼型吸力面流速,降低失速攻角下逆...     

风力机翼型动态气动特性粗糙度敏感性研究

利用SST k-ω湍流模型模拟光滑S809翼型风力机正弦振荡时动态气动特性,并同OSU(俄亥俄州立大学)风洞试验数据进行对比,表现出良好一致性,证明了所用方法有效性。对不同粗糙度S809翼型正弦俯仰振荡时动态气动特性进行数值模拟,得到了升力系数和阻力系数迟滞回环,分析得出该翼型动态气动特性临界粗糙度为0.4 mm。进一步对粗糙度为0.4 mm的粗糙带位于翼型压力面和吸力面不同位置时的动态气动特性进行模拟和分析,指出翼型动态气动特性对吸力面前缘10%位置粗糙带最为敏感,随粗糙带高度增加,翼型动态气动性能大幅降低,动态失速攻角提前。     

风力机叶片翼型气动性能数值模拟

采用数值模拟方法对NACA23012,NACA4412,S809,S810等4种常用风力机叶片翼型进行了研究,分析了翼型静止与振荡时的气动性能.随着攻角的增加,静止翼型的升力系数先增大后减小,其阻力系数一直增大,显示出NACA4412翼型具有较好的低风速启动性能;振荡翼型的升力系数随着攻角的变化呈现一个闭合迟滞环曲线,显示出振荡翼型S809的动态失速迟滞效应最为明显.文章参照模拟结果和对比试验数据,验证了数值模拟的可靠性.     

风力机振荡翼型动态失速特性的CFD研究

为采用CFD方法研究风力机振荡翼型出现的流动动态失速现象,首先依据实验结果,对比分析了Baldwin-Lomax、Johnson-King、K-ωSST、S-A和K-ω5种紊流模型计算结果,结果表明:K-ωSST模型由于考虑到分离流动的非平衡作用,针对动态失速的计算精度较高。通过对NACA0012翼型振荡运动的流场进行计算,详细分析了振荡运动过程中翼型表面分离涡的形成、放大直至造成翼型失速以及失速区涡结构。     

水平轴风力机翼型设计与动态失速数值模拟

利用XFOIL软件对水平轴风力机叶片的参考翼型进行了改进设计,通过数值模拟的方法评估获得:所设计的翼型优于参考翼型,满足设计要求;由于风力机叶片在动态失速时的特性较为复杂,该文针对某一个设计翼型进行了动态失速的数值模拟,使用FLUENT软件编写用户函数,获得漩涡产生、发展和脱落规律,比较翼型在动态和稳态的升力和阻力特性,并提出了考虑失速效果的风轮气动设计和性能改进的意见.     

基于非结构动网格的风力机翼型失速特性研究

根据翼型俯仰运动规律,采用非结构动网格技术和不同的湍流模型对风力机的动态失速特性进行计算,其结果表明,动网格技术能有效计算振荡翼型的气动特性,较好地捕捉出风力机翼型在动态失速过程中涡的产生、脱落及湮灭过程;并得出SST k-ω湍流模型在运动翼型气动性能的计算方面有较高精度。     

立轴风力机叶片动态失速特性与气动性能分析

结合立轴风力机运行时叶片的非定常气动特性,对B-V、B-L和ONERA动态失速模型进行适当简化和修正,结合实验数据对比分析俯仰运动时动态失速对翼型气动特性的影响。在双盘多流管气动分析方法的基础上,结合修正的动态失速模型,对Sandia 17m风力机进行气动性能计算,比较不同模型对叶片非定常气动特性的评价结果,与实测气动载荷和功率对比表明,B-L模型整体上对立轴风力机气动性能预测较好。     

水平轴风力机翼型动态失速特性的数值研究

动态失速对水平轴风力机的运行性能影响很大，大量的实验和分析显示，水平轴风力机在动态失速工况下其运行载荷将增长50～100％，而风力机翼型的动态失速特性是分析水平轴风力机动态失速特性的基础。本文应用CFD软件Fluent6．0对NREL S809翼型的二维动态流场进行了数值模拟，得到了翼型攻角在9*～31*范围内按正弦周期变化时的绕流流场。计算结果显示：动态失速下翼型的绕流流场与相同工况下的静态绕流流场有着十分明显的差别，同时也引起翼型升力、阻力系数的显著变化。     

偏航工况下叶片翼型动态特性研究

首先通过理论分析,研究风力机偏航运行时叶片各翼型的攻角变化规律,建立翼型俯仰运动模型;然后基于大涡模拟（LES）方法,研究偏航工况下叶片翼型的动态气动特性。结果表明：风轮在偏航工况下运行时,叶片各截面翼型攻角变化呈近似的正余弦规律;叶片不同展向位置翼型均发生不同程度的流动分离,出现动态失速现象,越靠近叶根,由偏航引起的动态迟滞效应越明显;翼型俯仰过程中,吸力面前缘分离泡的动态变化过程,导致吸力面前缘压力出现小范围的剧烈振荡,增大流动的不稳定性。     

振荡翼型和振荡来流下的动态失速数值研究

分别采用2种数值方法——考虑γ-Re_θ转捩预测的SST k-ω湍流模型求解URANS方程和基于准定常薄翼理论分析采用经典的B-L模型预测,对S809翼型在振荡翼型和振荡来流下的动态失速特性进行研究。数值模拟和模型预测的结果均与实验值吻合得较好,验证了方法的准确性。研究表明,振荡翼型在上仰段对翼型附加正弯度并提高升力,下俯段对翼型附加负弯度并降低升力,而振荡来流的作用则相反。当非定常程度较大时,振荡翼型和振荡来流间的差别较明显,应当予以考虑,以提高不同工况下动态载荷计算精度。     

直接测力俯仰振荡翼型动态气动性能研究

在西北工业大学NF-3低速风洞二元实验段开展翼型俯仰振荡运动动态气动性能深入研究。实验模型为展向三段式测力模型,测力仅在模型中段进行以减小风洞侧壁干扰的影响。实验中采集模型的转动瞬态迎角、计算模型中段的惯性力和惯性力矩、并从天平采集数据中扣除以修正模型惯性对结果的影响。结果表明,迎角超过正向或负向静态失速迎角是升力系数和俯仰力矩系数产生大的迟滞环的必要条件。随着振荡缩减频率增大,动态失速会推迟,升力系数迟滞环增大,阻力系数增大,最大迎角附近的俯仰力矩系数减小。在迎角小于静态失速迎角或超过不大的迎角范围,随着缩减频率的增大,翼型振荡运动俯仰力矩系数上行时减小,下行时增大。随着振荡振幅的增大,翼型振荡运动动态升力系数和俯仰力矩系数的迟滞环增大。随着平均迎角的增大,翼型迎角更多地进入正向失速区,升力系数迟滞环增大,俯仰力矩系数最小值变小。雷诺数对升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数迟滞环无明显影响;但是,在翼型模型下行过程,随着雷诺数的增大,升力恢复提前,同时迟滞环随雷诺数增大而减小。     

水平轴风力机静态失速特性

采用叶片表面边界层理论分析,三维旋转流场的数值模拟以及实验风力机模型的流动测量方法对水平轴风力机的静态失速特性进行了较为系统的研究。研究表明,旋转速度使得实际三维旋转风轮翼型表面的静压分布与二维非旋转条件下翼型表面静压分布产生较大差别,这是造成静态失速的原因之一。     

水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟

通过计算流体力学(CFD)的方法对水平轴风力机桨叶翼型的霜状积冰进行了数值模拟。模拟采用四阶龙格-库塔法求解水滴运动轨迹,假定水滴在与叶片相碰撞的点处完全凝结,并且冰沿着翼型表面法向方向增长,通过模拟得到了某风力机厂家提供翼型在不同时间段叶片表面结冰后形成的冰形,同时利用FLUENT软件模拟了风力机叶片翼型周围流场的变化,并与结冰前该翼型的气动性能进行了对比。研究结果表明与干净翼型相比,在模拟气象条件下的结冰翼型的最大升力系数大约减少了27%,阻力系数增加了约38%,失速攻角降低了4°。根据模拟可以认为,结冰后翼型提前进入失速区是造成桨叶气动性能恶化的主要原因。     

风力机翼型大迎角分离和动态失速的数值研究

通过求解非定常、不可压缩雷诺平均的Navier-stokes方程和SST k-ω双方程湍流模型,数值预测了LS0413翼型在0°～360°迎角范围内大尺度分离与失速流场特性。并对该翼型的动态失速特性进行了数值模拟,典型的正弦振荡计算结果表明:1)SST k-ω湍流模型能够较好地模拟翼型升力和阻力系数的迟滞环变化趋势;2)绕翼型的流场结构在轻失速和深失速下存在明显的差别。     

不同参数对翼型动态失速流场影响的DMD分析

基于对CFD计算结果的动力模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法来分析平均攻角、振荡幅度和折合频率对翼型动态失速流场的影响。首先对风力机S809翼型的多个动态失速非定常流场进行CFD数值模拟,得到翼型在振荡周期内升阻力系数随攻角的变化曲线,然后采用动力模态分解方法对非定常流场进行模态分析,从中得到非定常流场变化过程的主要模态和相应的频率以及能量等信息。通过对前8阶主要模态所包含的流场信息进行对比分析,DMD速非定常流场之间的差别。     

考虑转捩的风力机翼型动态失速数值模拟

以风力机专用翼型的动态失速为对象,采用一种基于流场当地变量的Gamma-Theta转捩模型配合SSTk-ω湍流模型进行数值模拟,研究转捩对动态失速性能的影响和动态失速下的转捩规律。结果表明,使用考虑转捩效应,能够使动态失速过程中上仰段大迎角状态下失速和下俯段气流再附的模拟得到改善。在动态失速上仰段,上表面转捩由后缘分离泡向前缘分离泡的转变过程较快,导致转捩点迅速前移;而在下俯段,前缘分离泡向后缘分离泡的转变过程中经过了自然转捩和再层流化的过渡,因此转捩点的移动较上仰段平滑。     

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。     

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。     

伸缩式斜柱对垂直轴风力机气动性能影响研究

为改善垂直轴风力机动态失速特性,提出一种可随风力机方位角变化而自动伸缩的斜柱结构翼型。以NACA0021翼型为研究对象,采用数值模拟方法,分析其对垂直轴风力机动态气动性能的影响。结果表明：伸缩式斜柱在作用方位角内可显著抑制流动分离并提高垂直轴风力机转矩,最大风能利用系数较原始翼型提高13.6%;同时,伸缩式斜柱可使最佳工况点向低尖速比偏移,提高整机运行过程中的稳定性。