基于RANS方程大型风力机翼型钝尾缘修型气动性能计算

通过耦合求解二维定常RANS方程和基于线性稳定性分析的转捩预测程序,计算了DU97-Flat翼型的气动性能并与实验结果进行比较,结果表明该文方法可进行有钝尾缘厚度翼型的气动性能计算。使用耦合求解方法,以DU97-W-300翼型为例,计算几种常见的风力机翼型钝尾缘修型方法(直接截断、对称加厚、不对称加厚和翼面旋转等)得到的钝尾缘翼型的气动性能,并分析各种修型方法对气动性能的影响。结果表明:直接截断修型方法并未增加此翼型的升力系数但对阻力增加的影响最小;不对称增加厚度引起的升力系数增加最明显,但会引起翼型使用角度区域的移动;通过指数因子形式对称增加时,指数因子在1.8～2.5之间较适中。     

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。     

风力机翼型尾缘加厚修型优化

为实现风力机专用翼型尾缘加厚修型优化,并实现优化过程的自动运行,采用ISIGHT多学科设计优化软件平台,针对钝尾缘翼型的运行特点,用切向和法向载荷系数描述翼型气动性能,基于指数混合函数法,提出翼型尾缘对称和非对称加厚优化问题,以尾缘加厚厚度为优化变量对风力机专用DU91-W2-250翼型的尾缘进行对称和非对称加厚修型优化。在ISIGHT软件平台上集成翼型生成、ICEM网格划分、Fluent流场计算、载荷计算以及遗传算法优化计算模块。优化结果表明,翼型尾缘对称和非对称加厚优化后其代表风力机叶片出力能力的切向载荷获得明显提高。翼型尾缘对称加厚优化的效果优于尾缘非对称加厚的情况。     

尾缘厚度对风力机翼型气动特性影响参数化研究

该文拟从气动性能角度考察钝尾缘厚度对风力机翼型气动特性的影响.采用美国NREL带有试验数据的风力机专用翼型S814和S827,通过XFOIL软件对翼型尾缘厚度参数化处理.在最大厚度、弯度和弦宽不变的条件下,尾缘厚度相对于弦长在0.5%～5.0%范围变化.数值计算分析认为,尾缘厚度在一定范围增大时,翼型升力系数有明显提升,同时阻力系数也持续增大,升阻比则呈先增后降趋势,研究翼型尾缘厚度在1.5%(相对弦长)附近其升力系数和升阻比同时达到最佳.研究结论可供风力机叶片设计时量化参考.     

加装钝尾缘改善风力机桨叶气动性能的研究

对 NACA4412 翼型流场进行了数值模拟,发现在翼型尾部上表面存在一对方向相反交替脱落的漩涡.为了改善叶片的空气动力特性,在叶型尾部加装 Gurney 襟翼,并进一步改进为钝尾缘的叶型.研究结果表明:钝尾缘翼型尾部漩涡消失,升力系数增大,且在翼型失速前升力系数增大较为明显,阻力系数稍有增加,气动性能明显好于原翼型.基于改进前后翼型对风力机桨叶进行了优化设计,分析比较了两种翼型风力机的功率输出特性.结论:在相同功率下,具有钝尾缘翼型的风力机桨叶弦长相对较小,桨叶的扭角相近;在风力机工作风速范围内,改进翼型的风力机功率和功率系数都有所增加,尤其是在低风速段提高较明显,启动风速功率增量达到了30.5%;钝尾缘翼型风力机性能明显优于原翼型的风力机,年输出功率提高了7.69%.     

基于CFD技术与遗传算法的风力机大厚度翼型优化设计

针对目前风力机大厚度翼型设计参数空间有限、优化设计过程中气动力预测不准等问题,利用B样条函数表征通用翼型廓线,编制程序集成耦合翼型设计模块、任意翼型自适应网格模块、CFD流场计算模块、遗传算法优化模块,提出了基于CFD技术与遗传算法的风力机叶片大厚度翼型优化设计方法,并对比分析优化新翼型与DU97-W-300翼型的几何特性与气动性能。结果表明,优化方法设计的新翼型在主要攻角范围内具有较高的气动性能,在雷诺数为3.0×106的情况下,其升力系数、升阻比分别提高了13.555%、38.588%。该翼型优化设计方法为风力机大厚度通用翼型的设计与应用提供参考。     

钝尾缘对扑翼获能特性的影响

扑翼获能器是一种通过升沉俯仰运动从海流中提取能量的装置。采用计算流体力学（CFD）方法对钝尾缘扑翼获能特性进行数值模拟计算,探究钝尾缘对称加厚初始位置、钝尾缘对称加厚厚度与翼型厚度对钝尾缘扑翼获能特性的影响规律。结果表明,钝尾缘对称加厚初始位置与翼型弦长之比p/c=0.90时,钝尾缘控制策略的获能效果较明显。钝尾缘对称加厚厚度对扑翼获能特性的影响主要体现在中高缩减频率,总体来看扑翼获能效率随钝尾缘对称加厚厚度增大呈现先增大后减小的趋势,当钝尾缘对称加厚厚度与翼型弦长之比l/c=0.02时,钝尾缘扑翼获能效率的提升效果达到阈值。随着翼型厚度逐渐增大,钝尾缘扑翼的获能效率先增大后减小,并且当翼型为NACA0030时,获能效率达到峰值。     

PREDICTION OF THE AERODYNAMIC CHARACTERISTIC OF WIND TURBINE AIRFOILS THROUGH ±180°ANGLE OF ATTACK

利用经验公式、小攻角下翼型气动特性数据建立了翼型在-180°～180°攻角范围内的气动特性估算模型.以NACA0012翼型、NACA0015翼型为例,对翼型全流向范围的升力系数、阻力系数、力矩系数进行了估算,并对风力机翼型DU96-W-180的升力系数、阻力系数进行了估算,将估算结果与实验结果进行比较,验证了估算方法的合理性.     

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。     

射流技术提升风力机翼型气动性能研究

以应用在水平轴风力机叶片上的层流翼型S809为研究对象,采用CFD数值模拟技术,结合ShearStress Transport(SST)湍流模型,数值计算了S809翼型的升阻力特性。在翼型设计中应用一种转捩延迟控制技术——射流技术,即在翼型上翼面添加射流口,并研究了射流口位置和射流速度对翼型S809气动特性的影响。结果表明:射流技术能够显著提高翼型升力,延缓翼型失速;在低攻角下,射流速度大于来流风速才能提升翼型升力;在失速前,翼型的升力系数和失速攻角随着射流速度的增大而增大,在原始翼型失速而带射流翼型未失速阶段,带射流翼型的阻力系数明显小于原始翼型;射流速度一定时,射流口位置适当靠前可增大翼型的失速攻角,射流口位置布置在翼型上翼面中后部能使翼型在失速前获得较大的升力系数。