风力机翼型气动性能预估和分析

采用粘性-无粘迭代程序XFOIL和CFD方法不同湍流模型预估了某改型风力机专用翼型的气动性能,通过和风洞实验结果的比较分析了不同计算方法线性区的预测精度和大攻角失速下的适用性,并研究了前缘粗糙度对翼型性能的影响.结果表明:在线性攻角下定常雷诺平均方程加合适湍流模型可精确预估翼型升力,SA模型升力结果略好于SST模型,XFOIL预估结果基本可信更适合初步设计时定性分析;大攻角失速下必须考虑流动分离的非定常特性,大涡模拟可以更好地反映流场发展过程;前缘粗糙度一定程度上降低了翼型气动性能,这种影响随翼型厚度的增加而加剧,改型翼型对前缘粗糙度敏感性不大,满足使用要求.     

基于BEDDOES-LEISHMAN动态失速模型的水平轴风力机动态气动载荷计算方法

从对附着流和分离流的建模两方面阐述了Beddoes-Leishman动态失速模型.基于Beddoes-Leishman模型开发了动态失速数值计算程序,并将其集成到了现有的风力机气动载荷分析软件中.利用所开发的程序,计算了NACA 63-418翼型的动态失速特性,分析了平均攻角、衰减频率和马赫数的变化对动态失速特性的影响.仿真了一台1.5MW变速恒频风电机组的发电工况,结果表明,动态失速对风力机的动态气动载荷有极大影响,在进行动态载荷仿真时必须予以充分考虑.     

基于Theodorsen理论的新型动态失速预测模型及其应用

风力机叶片动态失速时的非定常气动特性及严重的迟滞现象使得风力机功率实测值严重偏离其静态预测值。鉴于此,基于Theodorsen理论、基尔霍夫势流理论,在忽略低阶附加质量引起的下洗气流加速度项及状态变量转换后,提出一种包括翼型附着流和后缘动态分离流的新型动态失速模型。利用该模型分析NREL 5 MW海上风力机叶片6种翼型的非定常动态失速特性得出：通过翼型的气流在完全附着流与完全分离流之间不断转换,受附着流脱落尾诱导的动态下洗气流影响及边界层动态分离产生的压力滞后的双重作用,动态升力系数变化曲线和静态升力现象曲线偏差较大,6种翼型动态升力系数变化曲线均呈非常明显的迟滞环现象。DU40、DU35、DU30、DU25、DU21和NACA64这6种翼型动态升力系数增幅明显,分别达17.6%、60.9%、60.7%、55.1%、63.7%和40.8%。动态失速攻角极大地超过静态失速攻角,分别增大到36.53°、21.40°、20.20°、17.68°、16.97°和21.42°。6种翼型动态失速预测结果与公开实验数据结论一致,证实所提出的动态失速气动模型计算结果准确可信,具有较强通用性。     

风机叶片翼型大攻角下气动性能的数值分析

以NACA早期的翼型Clark Y为研究对象,采用数值模拟方法,对该翼型在20°攻角下的气体绕流情况进行稳态和瞬态计算,得到翼型的气动性能;通过对比分析稳态、瞬态计算结果,得出Clark Y翼型在20°攻角下的气体绕流运动本质上是一种具有涡街形式的准稳态物理现象,如果强制给它一种稳态模型,则计算将会出现收敛不好、结果不准确的问题.强调了在采集翼型大攻角下的升力阻力系数等参数时,必须注意采取非定常结果的合适时间段的平均值.     

局部瞬态风况下风力机叶片载荷计算

对叶素动量理论(BEM)进行改进,动量理论的计算仍在风轮坐标系下进行,而叶素理论的计算在叶片的局部坐标系下进行。在局部坐标系下能更准确地利用二维翼型的特性来计算气动载荷,同时也能更好地调用Beddoes-Leishman(B-L)模型,从而全面考虑到风轮锥角、局部风况甚至叶片弯曲变形的影响。再将动量理论和叶素理论统一在风轮坐标系下完成迭代。采用B-L模型预测二维翼型的动态气动性能时应用切向力分离点计算分离流切向力,从而提高模型对动态气动阻力的预测精度。结合改进的BEM理论和动态效应模型对Tjaereborg 2 MW风力机进行仿真,所得叶根挥舞弯矩相比经典BEM更接近测试值。     

水平轴风力机叶片翼型流场的数值模拟

为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性,利用计算流体力学软件FLUENT对水平轴风力机叶片常用翼型NACA63425流场进行了数值模拟,得出了翼型NA-CA63425在不同来流攻角下的升力系数、阻力系数、升阻比和不同流攻角下的流场流线图和翼型表面的压力分布。根据模拟结果对不同攻角下尾迹漩涡分离流动进行了分析和比较,得出该翼型气动特性随攻角的变化规律。     

风力机叶片S832翼型的两种湍流模型数值分析方法及其比较

采用S-A和RNGK-ε湍流模型对风力机专用S832翼型的绕流流动建立了二维不可压缩湍流模型,利用计算流体力学软件Fluent,对两种模型进行数值模拟,得到了雷诺数为3×10^6时该翼型在-16°～30°攻角下的升力系数和阻力系数与来流攻角的关系以及压力分布图,并进一步分析了不同攻角下翼型表面压力分布特性,预测了大攻角（达30°）下翼型分离流动特性。结合NREL的试验数据,对两种湍流模型模拟的精度进行了分析比较,结果表明在小攻角范围内采用RNGK-~模型预测该翼型气动性,其结果更加有效。     

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。     

基于两种湍流模型的某风机专用翼型数值研究

针对风力机专用S832翼型绕流流动建立了二维不可压缩湍流模型,利用计算流体力学软件Fluent,分别选用S—A、RNGk-ε两种湍流模型对S832进行数值模拟,对比了两种湍流模型对气动模拟精度的影响,得出了雷诺数为3×10^6时,该翼型在-16°～30°攻角下的升力系数和阻力系数随来流攻角的变化关系及压力分布图,分析了不同攻角下翼型表面压力分布特性并进一步预测了大攻角（达30°）下翼型分离流动特性．并与NREL的试验数据进行比较,研究结果表明：RNGk—ε在预测该翼型小攻角范围气动性方面更加有效。     

覆冰翼型气动性能和噪声特征的数值研究

利用Fluent软件预测了风力机翼型在覆冰状态下的气动性能和气动噪声,采用大涡模拟与基于Lighthill声类比的FW-H模型相结合的方法模拟了不同覆冰状态下的声压级频谱和功率谱密度分布特征,分析了攻角和来流风速对声压级频谱和功率谱密度分布特征的影响。结果表明:覆冰使翼型的气动性能下降,升力减小,气流与壁面提前分离并进入失速区;明冰对翼型气动性能的影响最显著,霜冰次之;翼型覆冰后气动噪声明显增大,尤其覆明冰时翼型的气动噪声更突出;翼型覆冰前后气动噪声均随攻角增大而提高,未达到和超过失速攻角时气动噪声分别呈低频离散特性和宽频特性;来流风速对气动噪声的影响体现在总声压级上,各监测点的总声压级均随来流风速的增大而增强。     

适用于风力机的新翼型气动性能的实验研究

对适用于风力机的新翼型FFA W3 211和FFA W3 360进行了风洞实验研究,得到了两种翼型在不同雷诺数下的气动性能及其在大攻角下的失速特性。实验结果与采用低雷诺数翼型分析和设计软件XFOIL的计算结果进行了比较,其最大升力系数对应攻角偏差小于1,在-10°～+18°范围内,升力系数的平均相对偏差为5 1%,两种结果的一致性很好。     

前缘小翼对翼型气动及噪声特性影响

基于被动流动控制理论及常用气动噪声预测方法,在S809翼型前缘吸力面附加微小翼型,以提高主翼抵抗流动分离的能力。采用数值模拟方法,在α=6°～24°来流攻角范围内计算复合翼的气动性能及噪声特性,并分析了流动控制机理。结果表明:在失速攻角之前,复合翼的气动性能表现优于原始翼型,有明显增升效果,但其气动噪声特性相比原始翼型较差;在大攻角下,前缘小翼的存在将主翼来流失速临界攻角由α=16°延缓至α=22°,且有明显降噪作用,复合翼相比原始翼型在接收点处的噪声总声压级最大可以减小7.23%。     

基于Fluent的风力机叶片翼型气动性能数值计算

风力发电是新能源利用的重要方式,风力发电机叶片翼型的气动参数特性分析对叶片翼型设计具有重要意义。采用数值方法研究不同攻角时NACA4415翼型的气动特性。利用ICEM对NACA4415翼型进行结构化网格划分,建立S-A湍流模型进行数值计算。结果表明在6°攻角时翼型存在最大升阻比,此时翼型的气动性能最佳,对风能利用率最高;14°攻角时翼型开始出现失速,翼型后部出现的气流分离是造成失速的主要原因。     

不同湍流模型对风力机叶片翼型气动性能参数计算结果的影响研究

为了比较不同湍流模型得到的风力机叶片翼型气动性能参数计算结果的区别,采用S-A、SST k-ω和RNG k-ω这3种湍流模型对风力机叶片NACA0018翼型进行数值计算,然后将得到的结果和文献给出的风洞实验值进行比较,最后分别讨论了一阶迎风、二阶迎风和QUICK这3种离散格式对计算精度的影响。结果表明:当翼型在未失速(攻角小于14°)状态时,RNG k-ω模型得到的升力系数值与实验值最为接近;当翼型处于失速状态(攻角大于等于14°)时,S-A模型得到的升力系数值与实验值最为接近,而SST k-ω模型得到的阻力系数值与实验值最为接近。     

圆弧翼型叶片力学模型的计算及气动特性研究

提出一个二维圆弧翼型的力学模型,以非定常伯努利方程为基础,在不考虑来流所引起环量的情况下,计算得到叶片所受到的法向力、升力和阻力的表达式。在计算过程中,采用儒可夫斯基保角变换法将圆弧翼型上的位移、速度等转换为极坐标形式,简化计算分析过程。在此基础上,通过给定攻角随时间变化的函数,分析得到叶片在连续时间域的非定常受力变化曲线,并探讨不同拱高圆弧翼型受力的变化规律,为研究更为复杂翼型叶片的气动性能奠定基础。     

风力机翼型大攻角分离流的数值模拟

为了准确预测风力机翼型在大攻角下分离流动的气动性能,并且为风力机的设计与安全运行提供一种可靠的数值模拟手段,针对某风力机专用翼型,分别采用基于非定常不可压缩Navier-Stokes方程的大涡模拟(LES)模型、RNG k-ε模型和Standard k-ε模型对其气动性能进行数值模拟,并计算出翼型攻角为35～90°,雷诺数为2×106时的气动力参数。将不同湍流模型的计算结果与风洞试验数据进行比较,并分析流场结构。分析结果表明,LES模型能够准确地模拟出翼型表面的分离流动,计算结果与试验数据取得了很好的一致性,并且优于RNG k-ε模型和Standard k-ε模型的模拟结果。     

基于Fluent的风力机叶片翼型气动性能数值研究

为了对风力机叶片翼型特性进行研究,通过Fluent软件对NACA4412翼型的不可压缩流动特征参数进行数值仿真研究。计算迭代得到翼型在0°~20°攻角下的升阻力系数,描述了各气动特性变化关系规律,分析了不同攻角下压力和速度分布云图。结果表明:随着攻角的增大,升阻力系数均增大,升阻比在4°~6°时达到最佳值,翼型左右两侧的高压区向翼型下表面移动,上部低压区域向翼型前端移动,翼型上部高速部分往前缘移动,气动绕流的分离点位置前移,为风力机叶片气动性能分析和叶片位置铺层提供重要参考。     

风力机叶片三角襟翼构型及气动特性数值研究

为研究三角襟翼对风力机叶片翼型气动特性的影响,将三角襟翼加至NACA4412翼型尾缘,建立其二维襟翼计算模型,基于CFD数值模拟方法分析不同宽度和长度的三角襟翼在0°~18°攻角范围内的气动特性,得到了各攻角下升阻力系数、升阻比及翼型壁面压强分布曲线。结果表明:增加襟翼长度,使得翼型升阻比减小,失速攻角提前,增加襟翼宽度,使得翼型升阻比增大,失速攻角延后,因此适当减小三角襟翼的长度和增加其宽度有助于提高翼型的气动特性,将翼型尾缘5%部分作为空间生成襟翼,与传统襟翼相比,节省了制造材料和空间。     

风力机主动柔性翼型气动特性研究

选取NREL S809翼型进行柔性尾缘翼型的数值计算,其中静态特性计算采用势流方程与边界层方程耦合,动态特性计算采用RANS方程与湍流模型进行CFD求解,尾缘几何变形采用C语言编程通过插值拟合完成,柔性翼型周围区域流场划分采用动网格技术实现。通过数值分析,研究了翼型变形后的静态气动特性差异、柔性翼型表面压力分布及动态气动特性随尾缘摆角的变化规律。     

小攻角下翼型边界层分离对数值模拟结果的影响研究

基于三维RANS方程,分别选用RNG k-ε和RSM（雷诺应力模型）两种湍流模型对NREL S809翼型进行了CFD数值模拟,得到翼型的气动性能,并对比其计算结果。结果表明：随着攻角的增大,翼型边界层会产生分离。翼型边界层分离前,两种湍流模型模拟结果与实验数据有一定误差,但基本一致。翼型边界层分离后,模拟结果与实验数据相差较大,特别是随着攻角增大,流场内湍流运动加剧,模拟结果误差也随之增大。因此,边界层的分离是影响模拟结果的重要因素。