风剪切对水平轴风力机气动性能影响的研究

采用SSTk-ω模型,分别对均匀风和剪切风下1.2 MW水平轴风力机在11.26m/s来流风速下的绕流流场进行三维数值模拟。根据模拟结果分析均匀来流和动态风剪切来流对风力机输出功率的影响以及风剪切对风力机三维流场的气动性能影响。研究结果表明:均匀风下,风力机功率计算值与设计值吻合较好;风力机受到风剪切的影响时,能导致叶片表面的载荷和性能发生变化。     

停机状态叶片位置对风力机体系气动性能影响

为了研究停机状态下叶片不同位置对风力机体系气动性能的影响程度,以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机为研究对象,采用大涡模拟(LES)方法对停机状态下叶片不同位置时的风力机体系气动性能进行数值模拟.基于8种计算工况(由叶片旋转全过程状态下和塔架的相对位置确定)下的三维非定常数值模拟结果,研究风力机体系表面空间风压分布特性及周围流场的作用机理,总结出不同停机状态下叶片位置对风力机气动性能和干扰效应的影响规律.结果表明,叶片停机位置对风力机体系表面风压分布和绕流特性的影响显著,上游叶片的遮挡效应对塔架迎风面和侧面产生显著影响,随着塔架与叶片相对位置的接近,塔架背风面尾涡区域变得细长且不规则.     

小型水平轴风力机叶片仿生设计

为了提高风力机叶片性能,基于家燕翅膀翼型良好的气动特性进行了风力机叶片的仿生设计。采用计算流体动力学,对仿家燕翼型和标准叶片翼型的性能进行模拟和对比,结果表明,仿家燕翼型具有较高升力系数和升阻比。基于家燕翼型进行100 W风力机叶片的仿生设计,并对标准100 W风力机叶片和仿生设计叶片进行数值模拟和风力机效率实验。结果表明:相比于标准叶片,仿家燕风力机叶片展向位置翼型上下表面压力差有较大提高,能有效提高风力机叶片效率,效率比标准叶片提高25%以上。     

极端运行阵风下后掠型风力机叶片的气动特性研究

基于多体系统动力学和升力线气动模型,考虑柔性后掠叶片动态失速和气动弹性耦合问题,建立了风力机气弹耦合模型,研究极端运行阵风及阵风作用时间对某5 MW后掠风力机叶片气动性能的影响。结果表明：极端运行阵风对叶根挥舞力矩、功率、攻角、升力系数和轴向推力等气动特性具有较大影响。研究工作对风力机的结构优化设计和疲劳寿命设计具有重要作用。     

风力机翼型及叶片气动性能数值模拟

采用FLUENT数值计算方法模拟了NACA4412、NACA4418、FX60-126和NREL-S809四种常用风力机翼型和单位长度平板叶片以及单位长度实际叶片.通过数值计算所得4种翼型的升阻力系数曲线与实验数据的对比,验证了计算模型和计算方法的准确性,在此基础上分析了翼型和平板叶片随攻角变化的流场分布规律以及实际叶片的三维气动特性,数值模拟结果显示三维平板叶片在失速攻角附近气流展向流动较明显,三维实际叶片旋转时气流展向流动产生了三维涡体,更准确地反映了实际叶片的气动特性.     

基于合成射流风力机翼型气动特性的数值模拟

在翼型上引入射流,以较小流动干扰对翼型表面绕流进行主动流动控制,从而达到延迟失速、抑制分离、增升减阻的目的.通过数值模拟方法,分析了合成射流中的参数射流偏角、动量系数和无量纲频率对翼型气动特性的影响.结果表明,合理地选择射流参数可以达到抑制翼型流动分离、实现增升减阻的目的,得出了相关参数与翼型特性之间的关系曲线,为下一步射流器的选择与控制提供了一些有意义的帮助.     

反向射流作用下可回收火箭升阻特性

可回收火箭动力减速过程中反向射流将大幅改变箭体气动特性,为获得反向射流对箭体气动特性的影响,利用数值模拟方法获得箭体升阻力系数,分析升阻特性变化规律并提出升阻特性表征参数。首先,对反向射流钝体构型进行数值模拟,将得到的结果与已公开的实验数据进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。其次,采用RANS方法模拟了单喷管构型火箭多种典型飞行状态,得到箭体升阻力系数随迎角变化曲线以及升阻特性变化规律,通过对回流区内流动状态进行分析得到升阻特性改变的机理。最后,由反向射流对箭体气动特性影响程度提出表征参数。结果表明：反向射流会对箭体形成遮挡作用并影响箭体升阻力特性。有射流时升阻力特性受飞行高度影响较大,受飞行马赫数影响较小,与无射流时的规律恰好相反。大部分飞行工况下阻力系数小于0.1,部分高空飞行工况将出现负阻力。本研究提出以反向射流与箭体宽度比作为气动特性表征参数,可以较好地反映反向射流对箭体的遮挡作用并表征箭体在反向射流作用下的气动特性变化规律。     

基于升力线理论的风力机气动性能分析方法

为了提高风力机气动载荷的三维计算能力与计算稳定性,采用螺旋尾涡升力线模型来研究叶片气动性能参数.通过对附着涡分布、控制点的诱导速度以及迭代法求解算法等问题进行研究和分析,计算了风力机的各项气动性能参数,并建立了基于螺旋尾涡升力线模型的水平轴风力机风轮气动性能数值分析算法.在FORTRAN平台中创建了分析程序,计算了风力机的气动载荷并与传统叶素动量理论进行了对比.结果表明,所开发的数值计算模型具有较高的计算能力与计算稳定性.     

风力机专用翼型数值模拟中湍流模型的选择

基于三维N-S方程,分别选用k-ε、k-ω、RSM和LES四种湍流模型对风力机专用S827翼型进行了数值模拟,对比了不同湍流模型对气动模拟精度的影响,得到了雷诺数为4×106时,该翼型在-4°～10°攻角下的升力和阻力特性曲线以及压力分布图,并与NREL的气动数据进行对比,结果表明,RSM湍流模型更适用于风力机专用翼型的数值模拟。     

升力型风力机与升阻型风力机气动性能分析

为深入研究升阻型风力机与升力型风力机的气动性能,基于CFD软件,采用k—wSST湍流模型,利用双滑移网格技术对2者的启动风速和切入风速进行流场计算,研究在低风速下2种风力机的气动性能。结果显示：升阻型风力机具有较大的启动力矩、较小的切人风速以及较小的启动风速;升阻型风力机在低风速下比升力型风力机更容易启动,且在失速之前升阻型风力机的输出功率较大,但在失速之后升阻型风力机输出功率低于升力型风力机。     

尾缘射流式垂直轴风力机气动特性数值分析

为抑制翼型表面流动分离并提高风力机叶片气动性能,将可靠性较高的吹气射流技术应用于垂直轴风力机叶片尾缘。采用数值模拟方法分析不同尾缘射流角度对垂直轴风力机风能利用系数、力矩系数及单叶压力与整机涡量的影响。模拟结果表明:在最佳尖速比(2.63)时,10°射流可以有效降低翼型尾缘脱落涡频率,有效控制叶片尾迹效应,整机效率及运行稳定性均优于0°尾缘射流式垂直轴风力机;在较低尖速比时,风力机单叶力矩峰值均集中在120°相位角,尾缘10°射流对整机力矩系数有显著提升效果;在较高尖速比时,单叶翼型压力面存在较大正压区,风能利用系数最大可提高11%左右,气动性能明显优于无射流垂直轴风力机。尾缘射流降低了风力机叶片所需承受的轴向载荷,提高了风力机输出功率。不同角度尾缘射流均能有效降低叶片表面流动损失进而延缓流动分离,数值结果为尾缘射流式垂直轴风力机的工程应用提供了部分参考价值。     

基于ANSYS CFX的汽轮机叶片气动性能优化模拟研究

以125 MW轴流式汽轮机某一冲动级叶片为研究对象,利用商业软件ANSYS CFX对该级静动叶片的气动性能进行了三维数值模拟优化计算.结果表明,通过优化前缘和尾缘椭圆率、相对节距以及其级间配比等几何参数,降低了表面压力差分布,有效控制了二次流损失;叶片等熵效率提高了0.43%,总压损失系数降低了0.005左右.优化改进后,叶片的气动性能得到提高,降低了其能量损失,增加了汽轮机效率.     

汽轮机叶型的三维数值模拟及优化

以25 MW凝气式汽轮机的某级叶片为研究对象,利用ANSYS Workbench平台中的旋转机械分析系统对该级叶片进行了静、动联合三维数值模拟优化.结果表明,优化后叶片压力系数分布较好,降低了叶片表面压差分布,有效控制径向二次流损失;总压损失系数有所减小,平均总压损失系数降低1%;等熵效率由原来的92.099%提高至93.157%.优化后的叶型明显提高了气动性能,降低叶型能量损失,增加了汽轮机效率.     

风力机复合材料叶片流固耦合分析

为了给风力机叶片优化设计及研发工作提供准确的数据,减少成品的开发周期,降低成本,并保证风力机的安全运行,提出一种针对铺层后风力机风轮及叶片并利用ANSYS Workbench进行单向流固耦合分析的方法.主要在传统翼型NACA4412模型下进行叶片建模改进,应用铺层设计把叶梢、叶根、展向等改成渐变式厚度并进行流固耦合分析.数值模拟结果表明:叶片在风速13 m/s时叶尖部分压力最大,此时叶片弦长及其厚度处于最小状态,叶片中部靠近叶片前缘的位置为应力最大处.     

平板间方柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

为研究平板间方柱绕流上下平板对置于其中的方柱绕流所产生的影响,采用格子Boltzmann方法对二维平板间低雷诺数(Re=100)方柱绕流问题进行了数值模拟研究.分析了3种不同阻塞比下,平板边壁对方柱的升、阻力系数、Strouhal数和尾涡流场的影响.结果表明:平板对方柱绕流特性有明显的影响,随着阻塞比的增加,阻力系数和Strouhal数均增大,与无边壁相比阻力系数可增加达30%,而升力系数却随之减小.计算结果与相关实验数据相吻合,验证了格子Boltzmann方法对钝体绕流非定常问题模拟的有效性。     

开孔率对纵向波纹隔热屏性能影响

对加力燃烧室纵向波纹隔热屏进行了三维流/热/固耦合数值模拟,研究了隔热屏开孔率对隔热屏流阻与换热特性的影响规律,得到了次流通道流阻系数、隔热屏热侧壁面气膜冷却效果与对流换热系数以及单位面积冷气用量随开孔率的变化规律.     

三角翼无人机受损升阻特性的数值模拟

使用CFD软件求解定常可压缩流动的质量加权平均N-S方程和S-A模型,数值模拟了无损无人机和受损无人机的绕流流场,揭示了马赫数和雷诺数对无人机升阻特性的影响规律,分析了不同位置、不同尺寸损伤孔对无人机升阻特性的影响规律。计算结果表明,机身受损对全机的升阻特性影响较小;机翼受损导致气流分离,严重影响全机的升阻性能,造成全机升力减小,阻力增大;尾舵位置受损对全机升力影响较大,对全机阻力影响较小。     

风雨下考虑偏航效应风力机流场及气动载荷

为了研究狂风暴雨环境中大型风力机在复杂工况下的流场特性和气动性能,以南京航空航天大学自主研发的5 MW风力机塔架-叶片体系为例,采用计算流体动力学（CFD）技术开展最不利叶片停机位置下考虑6个偏航角（0°、5°、10°、20°、30°和45°）影响的风力机风场模拟,添加离散相模型（DPM）开展风-雨耦合同步迭代计算,对比研究不同偏航角对风力机周围风场和雨场特性的影响规律. 建立不同偏航角下的风-雨等效压力系数新模型,给出相应的公式,针对风雨作用下的不同偏航角工况塔架和叶片表面等效压力系数进行系统分析. 研究结果表明,附加雨荷载效应对该类风力机叶片迎风面和塔架迎风面两侧各40°区域内压力的影响不容忽视.     

扇翼三维几何参数对气动性能影响分析

本文建立基于CFD的扇翼三维几何模型的数值模拟方法对扇翼气动特性进行分析。计算了叶片安装角、前缘开口角、叶片间隙等几何参数对扇翼翼型气动特性的影响,分析了各参数对扇翼升力和推力的影响,揭示了扇翼气动性能与其几何参数之间的关系,得出了一些实用性的结论,为后期扇翼飞行器的设计和发展奠定了一定的理论基础。     

基于混合子结构方法的充气膜结构气动特性

为了提高单纯依靠数值模拟方法求解膜结构气动参数的准确性,采用现场监测和CFD数值模拟相结合的混合子结构方法对国家游泳中心(水立方)屋盖ETFE充气膜结构的气动特性进行研究．首先分别设立ETFE充气膜结构和流场两个子结构,然后利用已建立的风荷载监测子系统和膜结构振动监测子系统所获得的数据作为CFD数值模拟的输入,进行绕流场分析,从而获得ETFE充气气枕的附加质量、气动力系数和气动阻尼等气动参数,并分析其随时间和风速的变化规律．分析结果表明,混合子结构方法是获得充气膜结构气动特性的一条有效途径．