基于风洞实验的风力机叶片气动负载计算方法

提出一种基于风洞实验的风力机叶片气动负载计算方法。理论分析Beddoes-Leishman空间状态模型的非定常气动力特性,结合风洞实验数据和Beddoes-Leishman模型开发动态气动负载的数值计算程序。利用开发程序,分别详细计算DU97W300-10翼型在不同攻角区间,即线性区、失速区和全区的非定常气动系数,分析每个区间内附着流和分离流对翼型动态气动特性的影响。结果表明,在所有攻角区域的气动参数计算结果均能很好地与理论分析结果达成一致,翼型风洞实验可有效保证特定翼型动态气动负载计算的准确性。     

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。     

偏航工况下风力机动态失速特性的数值模拟

采用基于滑移网格模型的三维非稳态CFD方法,对NREL Phase VI风力机在偏航工况下的动态失速特性进行计算,分析旋转周期内翼型攻角和升力系数的变化,并进一步分析非稳态流动对动态失速的影响。结果表明:偏航工况时,来流风的水平分量和翼型的非稳态绕流会延缓气流分离涡的形成和失速现象的发生,伴随的动态失速现象会显著增加叶片的动态负荷;越靠近叶根动态失速特征越明显,翼型承受的非稳态升力系数最大可达静态升力系数的5倍以上,升力系数迟滞环面积也更大。计算结果能够为风力机优化设计和运行提供理论指导。     

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.     

覆冰对风力机专用翼型气动性能影响的数值研究

利用商用CFD软件和S-A湍流模型,对风力机常用的NREL S809翼型在不同覆冰形态、覆冰厚度下的静态流场和动态流场进行了数值计算,得到了Re=1×106时各种覆冰情况下该翼型的气动性能,并研究了不同的覆冰形态对风力机翼型静态、动态失速特性的影响.结果表明：向吸力面生长的覆冰形态会造成覆冰层后的分离涡,随着攻角的增加分离涡向后缘生长,造成升力系数的较大下降,阻力系数增加;沿弦向生长的覆冰对尾缘分离涡的生成影响较小;在动态失速情况下,翼型周围流场比较复杂,覆冰形态对翼型升力系统的影响规律也较复杂;从静态流场特性分析,覆冰破坏了翼型的流线从而直接影响了翼型的气动性能;从动态流场特性分析,覆冰改变了翼型动态升力系数曲线的斜率从而影响到风力机的气动弹性稳定性.     

尾缘非定常射流襟翼对垂直轴风力机气动特性影响研究

为提升垂直轴风力机气动性能并改善其动态失速特性,将射流襟翼布置于翼型尾缘压力面,并提出5种射流控制策略,采用计算流体力学方法研究不同策略对垂直轴风力机气动性能影响,从而确定最佳控制策略。结果表明：在180°~360°相位角范围内施加射流控制可使风力机风能利用系数在最佳尖速比下提升31.31%,并有效抑制吸力面尾缘涡形成与发展,增大翼面两侧压差;射流越靠近尾缘,垂直轴风力机气动性能提升效果越好。     

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...     

风力机智能叶片非定常气动特性分析

为研究大型风力机智能叶片的非定常气动特性,以具有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,改进动态失速模型并修正动态尾流模型,建立风力机智能叶片的非定常气动模型。进而,通过仿真验证所建模型的准确性。最后,研究在不同尾缘襟翼角度下翼型升力系数、叶根挥舞弯矩和风力机功率的变化规律。结果表明,所建模型可较准确模拟翼型周围的非定常流动状态;尾缘襟翼可减小动态失速效应,有利于降低疲劳载荷、抑制功率波动。     

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。     

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。     

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。     

直叶片动态效应水动力特性实验研究

文章通过水槽实验研究了直叶片在静态以及动态效应下的水动力特性。研究结果表明:在静态分析情况下,在来流加、减速过程中,直叶片的升、阻力系数的变化趋势相同;在动态分析情况下,当来流速度一定,电机转速不同时,直叶片的升、阻力系数在不同转速下的变化趋势基本相同;当电机转速一定,来流速度不同时,来流速度对叶片水动力性能的影响具有一致性;与静态分析相比,翼型的动态失速角大于静态失速角,失速延迟现象较为明显。实验结果可为直叶片动态失速现象的研究提供一定的参考价值。     

齿形襟翼对风力机翼型气动噪声影响的数值研究

为分析齿形襟翼（SGF）尾缘对风力机翼型气动性能及噪声特性的影响,利用SST k-ω湍流模型对装设Gurney襟翼（GF）和SGF的NACA0018翼型进行数值模拟,研究齿高和齿宽对气动性能和静压分布的影响,并采用大涡模拟（LES）对气动性能最优的SGF进行噪声预估和涡结构分析。结果表明：SGF可有效提高翼型升力系数并延迟失速;SGF-0.8-6.7模型可使最大升阻比提高8.61%,失速攻角延迟3°,其在拓宽高升力区间、延迟失速等方面具有最优性能;SGF翼型上下翼面噪声无明显差异,平均声压级随攻角增大而提高;SGF-0.8-6.7模型的尾迹噪声随攻角增大呈现先增后减的变化趋势,随距离增加而降低;翼型辐射噪声呈典型偶极子状,GF噪声小攻角下降低,而大攻角下则增大,SGF在不同攻角下均降噪显著,最大降噪量达10.2 dB;SGF尾涡稳定有序,能耗及损失降低,由此使气动性能和噪声得以明显改善。     

基于多岛遗传算法的钝尾缘翼型多目标优化设计

针对大型水平轴风力机叶片运行工况复杂和结构强度要求高的问题,提出一种钝尾缘翼型的多目标优化方法。基于多岛遗传算法,采用Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对钝尾缘翼型进行参数化拟合,通过Matlab软件自编程序调用XFOIL气动分析软件进行流场分析,对选定翼型进行多工况多目标优化设计。整个优化过程集成在Isight平台中,可实现自动优化。采用上述方法,选用NACA63921翼型作为初始翼型进行多目标优化,利用Fluent转捩模型对得到的钝尾缘翼型进行CFD数值验证,并与几种常见的同厚度翼型进行对比。数值验证表明,优化得到的钝尾缘翼型在多个工况点下的升阻比均高于同厚度的FFA、DU系列等现有风力机翼型,在失速工况区流动分离延后,具有更好的气动稳定性。     

On the S809 airfoil's unsteady aerodynamic characteristics

The S809 airfoil dynamic characteristics, which are based on the airfoil dynamic tests at the University of Glasgow, are presented in this paper. The airfoil tests include static, ramp‐type (ramp‐up and ramp‐down) and oscillatory motions at Reynolds numbers of 1.0 × 10⁶ and 1.5 × 10⁶ with and without the sand‐tripped leading edge. This study aimed to explore the unsteady aerodynamic features of the S809 airfoil, such as the progression of separation from leading edge to trailing edge, the large trailing edge separation before stalling, the stall onset inception and the re‐attachment convection, and to provide some useful data for tuning/refining the semi‐empirical dynamic stall (DS) models, such as the Leishman–Beddoes DS model or its variations. Experimental results show that the S809 airfoil has a complicated DS process that renders this airfoil a challenge for any modeller of the unsteady airloads. The leading‐edge roughness has small effect on the static features, but significantly invokes earlier stall onset inception under dynamic conditions, while has small influence on the convective phase of the re‐establishment of fully attached flow. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

V型沟槽对钝尾缘翼型流场分布及气动性能影响的研究

基于k-ωSST湍流模型,利用商业CFD工具ANSYS Fluent 16.0对DU35-17原始翼型、钝尾缘修型翼型及布置V型沟槽钝尾缘翼型进行数值模拟计算,对翼型改进前后的升阻力系数、流场分布和表面压力系数进行对比分析.结果表明,翼型在钝尾缘修型的同时布置V型沟槽,通过改变翼型尾缘处的压力分布和翼型表面的流动分布,...     

水平轴风力机翼型大攻角分离流动的数值模拟

翼型的失速特性是失调速节型水风力机的气动性能分析和颤振分析的基础，许多涉及这类问题的研究大多只给出了翼型刚开始失速时的计算结果，然而在正常运行工况下叶片端部翼型的深失速特性是风力机的最关键的一类问题，通过求解二维非常，可压的Ｎ－Ｓ方程计算了风力机常用翼型ＮＡＣＡ４４１８的绕流特性，Ｎ－Ｓ方程在贴体坐标系中给出用Ｐｏｉｓｓｏｎ方程法生成了Ｃ型网格，数值计算了采用了一种改进的ＬＵ－ＳＧＳ格式。将翼型的     

Design and validation of the high performance and low noise CQU‐DTU‐LN1 airfoils

This paper presents the design and validation of the high performance and low noise Chong Qing University and Technical University of Denmark LN1 (CQU‐DTU‐LN1) series of airfoils for wind turbine applications. The new design method uses target characteristics of wind turbine airfoils in the design objective, such as airfoil lift coefficient, drag coefficient and lift‐drag ratio, and minimizes trailing edge noise as a constraint. To express airfoil shape, an analytical expression is used. One of the main advantages of the present design method is that it produces a highly smooth airfoil shape that can avoid the problem of curvature discontinuity. An airfoil profile with discontinuous curvature can produce a discontinuous pressure gradient (i.e., local flow acceleration or deceleration), which enhances flow separation and thus decreases the airfoil performance. By combining the design method with the blade element momentum theory, the viscous‐inviscid xfoil code and an airfoil self‐noise prediction model, an optimization algorithm has been developed for designing the high performance and low noise CQU‐DTU‐LN1 series of airfoils with targets of maximum power coefficient and low noise emission. To validate the airfoil design, CQU‐DTU‐LN118 airfoil has been tested experimentally in the acoustic wind tunnel located at the Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech), USA. To show the superiority of the CQU‐DTU‐LN1 airfoils, comparisons on aerodynamic performance and noise emission between the CQU‐DTU‐LN118 airfoil and the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) 64618 airfoil, which is used in modern wind turbine blades, are carried out. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

YD-大厚度风力机翼型粗糙敏感度试验研究

基于YD-系列3个大厚度钝后缘风力机翼型（相对厚度35%、40%和60%）,在西北工业大学NF-3低速翼型风洞开展粗糙敏感度对翼型性能影响的试验研究。结果表明,前缘粗糙对大厚度翼型的性能影响很大,造成升力线斜率和最大升力系数急剧减小,吸力面后缘流动的提前分离。