带失速延迟模型的改进型升力线法预测风力机性能

采用带Du-Selig静态失速延迟模型的改进升力线法对风力机不同来流风速下的性能进行预测,静态失速延迟模型可以弥补对输出功率的低估;还分析了来流风速在7.0~10.0m/s时沿径向的攻角分布以及有无失速延迟模型时的升阻力系数分布。通过比较发现在中间叶高处出现最大攻角,相应地在该叶高位置最先发生流动分离。     

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。     

仿生叶片水动力特性实验研究

文章通过水槽实验,研究了雷诺数为1.2×105,1.6×105和2.2×105时,采用NACA0018翼型的标准直叶片和带前缘突起的仿生叶片的水力学性能。实验结果表明:在3个不同雷诺数下,迎角小于33°时,标准叶片在失速时出现升力系数的忽然减小和阻力系数的忽然增加;带前缘突起的仿生叶片能够推迟叶片失速的发生,且在失速区域,仿生叶片比标准叶片的升力系数提高约9.4%,阻力系数减小约22.75%,升阻比提高约33.6%;前缘突起不仅能够为仿生叶片在失速区域提供更大的升力,而且可以起到减阻的效果。实验证明了仿生叶片在失速区域比标准叶片有更好的水力学性能。     

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。     

海洋能发电装置叶片翼形的性能分析与优化

鉴于水轮机叶片翼形是影响叶片水动力性能的关键指标之一,总结了现有海洋能发电装置使用的叶片类型及翼形结构,基于数值模拟仿真方法,分析了10种不同型号的叶片翼形的水动力性能,包括升阻力力学性能及表面压力分布、压强与速度分布性能指标,并对比了不同翼形的升阻力系数与升阻力比。在此基础上,初步提出了一种叶片翼形优化方法,为提高海洋能发电装置效率及装置叶片水动力分析与优化提供参考。     

叶片前缘偏转对H型垂直轴水轮机性能的影响

为提高传统直叶片升力型（H型）垂直轴水轮机的获能效率,提出一种带前缘可偏转叶片的新型垂直轴水轮机,利用计算流体力学（CFD）方法,结合重叠网格和动网格技术对这种新型垂直轴水轮机叶轮的水动力性能进行系统的数值模拟计算,分析不同叶尖速比下带前缘偏转叶片的垂直轴水轮机绕流流场,从而探究前缘偏转角度和偏转长度对这种水轮机动力性能和获能效率的影响规律。结果表明,根据叶片旋转到不同位置时实施前缘偏转可改变来流攻角从而减缓或抑制叶片吸力面的流动分离,有效改善其动态失速特性,进而使H型垂直轴水轮机的水动力性能和获能效率得到明显提升。研究发现,低叶尖速比下这种改善效果最为显著,可拓宽H型垂直轴水轮机高效运行的工作范围。     

分形尾缘叶片气动性能及流场数值模拟

针对风力机存在尾流效应问题,通过在垂直轴风力机叶片尾缘布置分形孔的方法,建立分形叶片三维实体造型,进行了分形叶片和原始叶片三维非定常不可压流动的分析,得出叶片绕流流场数值模拟结果,重点研究具有分形特征的尾缘对叶片尾流流场及叶片气动特性的影响。结果表明:分形叶片对改善叶片尾流流场有较显著作用。在8°~18°攻角范围内,分形叶片升、阻力系数随攻角变化波动性小于原始叶片;当攻角大于原始叶片失速攻角时,这种波动性差距更大。分形孔的存在使叶片周围流场结构及气动参数对攻角变化敏感性降低:在攻角大于原始叶片失速攻角时,分形叶片阻力系数随攻角变化标准差仅为原始叶片的0.6倍,升力系数标准差仅为原始叶片0.4倍。研究结果将改善垂直轴风力机叶片尾流互相干扰及水平轴风力机叶尖脱落涡情况。     

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。     

水平轴风力机在偏航情况下动态失速模型分析

介绍了动态失速物理过程及Leishman-Beddoes(L-B)动态失速模型,将其应用到已有的风力机气动性能预测程序中.该文以美国可再生能源实验室的水平轴风力机为基础,预测了在有无偏航情况下不同来流风速的功率,并与美国国家可再生能源实验室的实验结果进行了比较,两者较为吻合.通过给出不同径向位置下攻角和气动力曲线,分析了偏航导致的动态失速发生的基本特征,为进一步研究打下基础.     

电厂轴流风机失速分析及处理方法

系统分析了电厂轴流风机失速现象产生的原理及影响因素。轴流风机产生失速的根本原因在于冲角过大而引起的叶片尾部脱流。而影响冲角大小的主要因素有流量大小,气流方向以及叶片安装角度等。在此基础上,结合轴流风机性能曲线,提出了轴流风机失速的监测方法和防治措施,对于降低电厂轴流风机失速现象对于机组产生的不良影响起到一定的指导作用。     

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。     

Aero-elastic behavior of a flexible blade for wind turbine application: A 2D computational study

This paper presents a computational study into the static aeroelastic response of a 2D wind turbine airfoil under varying wind conditions. An efficient and accurate code that couples the X-Foil software for computation of airfoil aerodynamics and the MATLAB PDE toolbox for computation of the airfoil deformation is developed for the aero-elastic computations. The code is validated qualitatively against computational results in literature. The impact of a flexibility of the airfoil is studied for a range of design parameters including the free stream velocity, pitch angle, airfoil thickness, and airfoil camber. Static aero-elastic effects have the potential to improve lift and the lift over drag ratio at off-design wind speed conditions. Flexibility delays stall to a large pitch angle, increasing the operating range of a flexible blade airfoil. With increased thickness the airfoil deformation decrease only linearly.     

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。     

潮流能水轮机叶片翼型水动力性能的数值模拟研究

鉴于潮流能水轮机叶轮叶片性能的好坏关系到叶轮的捕能效果,而叶片翼型的水动力性能是叶片设计的基础,基于CFD软件ANSYS CFX对部分翼型的水动力性能进行了分析。首先在不同湍流模型下对NACA2412翼型的部分水动力特性进行数值模拟并与试验值做对比分析;然后在SST湍流模型下,对NACA64421翼型在攻角为0°时,探讨了边界层网格对数值模拟结果的影响;并对其在攻角为-2°~20°情形下的水动力性能进行了数值模拟。结果表明,湍流模型的选用、边界层网格划分及近壁尺寸的选取对数值模拟结果的影响均较大,并通过数值模拟得到了NACA64421翼型的升力系数、阻力系数、最佳攻角、失速角等水动力性能参数,可为水轮机叶片设计时翼型的选取提供参考。     

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。     

尾缘气动弹片对翼型动态失速特性影响研究

通过研究尾缘气动弹片对翼型动态失速特性影响,提出一种基于气动弹片的主动控制策略,使其于大攻角时抬起,小攻角时闭合。并采用计算流体动力学方法对比分析主动式气动弹片对不同厚度翼型抑制流动分离作用的效果。结果表明：对于薄翼型,发生动态失速时,气动弹片可延缓翼型尾缘涡旋与前缘主流涡的相互作用,减小翼型升力系数骤降幅度;随翼型厚度增加,流动分离点从翼型前缘转向后缘,气动弹片可有效分割较大分离涡,减轻流动分离程度,限制分离涡发展,同时抑制尾缘伴随小涡产生,提高翼型升阻比。     

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...     

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。     

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。