锯齿尾缘风力机叶片气动及噪声性能研究

为理解锯齿尾缘风力机的气动噪声原理和气动性能,以NREL Phase VI风力机的锯齿尾缘仿生叶片为研究对象,在7 m/s风速工况下,采用分离涡和FW-H方程模拟相结合的方法进行仿真,获得并对比5个叶片展向位置的压力系数和声信号声压指向性。研究表明,在叶片吸力面靠近叶尖的尾缘区域,风力机原型相比于锯齿型出现了明显的分离现象;锯齿型叶片声压级在前缘处较大,尾缘处次之;锯齿结构改变了壁面分离模式,使流场得到改善,降低了风力机噪声的声压级,提高了叶片的气动性能,同时也说明了风力机叶片前缘与尾缘是噪声集中产生的位置。研究结果能够为风力机降噪提供重要的理论依据。     

弧形锯齿尾缘对叶片气动噪声影响及机理的研究

以弧形锯齿尾缘叶片为研究对象,同时设置三角形锯齿尾缘和直尾缘叶片作为参照组,采用大涡模拟结合声类比方程的方法,对比分析不同攻角下3种叶片的声压级指向性、噪声频谱特性。通过分析3种叶片周围涡结构,进一步对弧形锯齿尾缘所特有的声学机理进行研究。结果表明：同三角形锯齿一样,弧形锯齿结构并未改变叶片声压级指向性呈偶极子分布的规律;弧形锯齿尾缘有效降低中高频段的噪声,低频段降噪效果不明显;锯齿结构影响尾缘处展向涡的发展,进而对叶片气动噪声产生影响,且弧形锯齿尾缘对尾部涡结构的影响程度大于三角形锯齿尾缘。     

轴流通风机仿生降噪方法

对采用锯齿尾缘和波浪前缘2种结构的叶片进行数值模拟,研究其对轴流通风机的降噪效果。针对不同齿高、不同齿数的锯齿尾缘叶片和波浪前缘锯齿尾缘叶片,采用雷诺平均法和分离涡模拟方法计算其流场,并采用FW-H声学类比方程计算其声场。结果表明：在所研究工况范围内,波浪前缘锯齿尾缘叶片比锯齿尾缘叶片降噪效果更好,且二者对全压效率影响不大;对于锯齿尾缘叶片,总声压级随齿高和齿数的增加均有所减小,齿数多时降噪效果较好;波浪前缘锯齿尾缘叶片的总声压级小于原叶片,因而波浪前缘锯齿尾缘组合应用于轴流通风机叶片上的降噪效果比单一的锯齿尾缘叶片和波浪前缘叶片更优。     

基于鸮翼特征的曲线形尾缘锯齿翼型气动噪声研究

受到鸮类“静音飞行”的启发,将猫头鹰羽毛特有的曲线锯齿结构应用到三角形锯齿齿边,设计曲线形尾缘锯齿翼型,探究仿生锯齿结构的降噪潜力。以NACA0018翼型为原型翼型,通过大涡模拟（LES）与FW-H声类比方程相结合的方法,分析原型翼型、仿生曲线形锯齿尾缘翼型和传统三角形锯齿尾缘翼型的气动声学特性。结果表明,仿生曲线形锯齿尾缘翼型在声指向分布的所有方位角的总声压级均有降低,相比于传统的三角形锯齿尾缘翼型,噪声值最高能降低3.77 dB。压力脉动云图和流向速度的湍流波动分布结果表明,仿生曲线形锯齿可有效抑制尾缘附近的压力脉动,显著减小齿中部的湍流波动,从而降低翼型的气动噪声。     

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。     

塔架对风轮旋转过程中声场及流场的影响探究

基于压力脉动与声压之间的关系,利用Fluent数值模拟平台对风力机旋转过程中整机和单转子的声场和流场进行分析。对比2种模型的最大声压级位置,发现由于塔架的介入,整个模型的声场落后于流场约30°。分析塔旁y轴负向测点处压力脉动与声压级第1个峰值对应的方位角,结果发现在y/R=0.14、y/R=0.42、y/R=0.71与y/R=1时声压级（SPL）分别落后于压力脉动22°、5°、9°与18°。分析风力机旋转过程中两种模型塔附近监测点的声压级与压力脉动的变化趋势,结果表明：声压级振幅沿展向先增大后减小,在y/R=0.71处达到最大值;同样,在y/R=0.71时压力波动幅度最大。     

尾缘相对齿高对仿生叶片性能影响的研究

利用Fluent软件对基于NACA0018翼型的锯齿尾缘仿生叶片在雷诺数Re=6×105下的三维流场进行了数值模拟,对比研究尾缘锯齿的相对齿高h/λ对叶片气动特性与边界层发展的影响规律。分别选取尾缘锯齿相对高度h/λ为0.5、1.0和1.5,着重分析12°攻角下尾缘锯齿相对高度对仿生叶片近尾缘的涡分布影响。研究表明:当叶片绕流流场出现大尺度分离涡结构时,尾缘锯齿将改变原NACA0018叶片表面流动结构的周期性,对叶片的气动特性产生显著的影响,随相对高度h/λ的增大,仿生叶片的气动性能越接近原始叶片;尾缘锯齿能延迟边界层分离,延迟效果随h/λ的增大而增强;锯齿尾缘能抑制边界层增厚,使叶片尾缘噪声降低。研究12°攻角下的近尾缘涡分布发现,尾缘锯齿间的压力差形成锯齿间的涡和吸力面上的反向旋转涡对,受两者共同影响,叶片近尾缘处的流场分布发生变化,进而影响气动特性。     

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。     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

倾斜锯齿尾缘叶片噪声特性的试验研究

为了抑制非平板锯齿尾缘产生的窄带纯音噪声,以NACA65019叶片为研究对象,重新设计了一种倾斜锯齿尾缘,并在全消声风洞内进行实验测试。结果表明:在小攻角下倾斜锯齿尾缘可保证传统钝尾缘在高频范围内的降噪效果,同时削弱传统钝尾缘带来的窄带尖峰;在大攻角下传统钝尾缘不会引起窄带尖峰,具有一定的降噪效果,而倾斜锯齿尾缘降噪效果更明显。     

叶片锯齿前缘控制流动分离的数值研究

针对锯齿前缘结构调控叶片近壁面流场特性,以NACA0018叶片为对象,采用大涡模拟方法研究不同锯齿前缘结构对叶片近壁面流场的影响机制。获得了来流速度为30 m·s^-1、雷诺数为513 440、0°攻角下叶片近壁面流场分布特性。分析了锯齿前缘和叶片前缘和尾缘处压力脉动及分离涡的影响。数值结果表明：对正弦波齿而言,随着振幅的增大,在波谷处的小涡开始向前缘移动,整体上小尺度涡增多,前缘近壁面压力脉动增大,尾缘近壁面压力脉动减小;对叠加波形齿而言,尾迹涡进一步破碎,厚度变薄,叶片表面出现破碎的小尺度涡,在尾缘处叶片压力脉动幅值下降最为明显,且未出现明显的窄带尖峰。     

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。     

新型变桨立轴风力机涡效应分析

该文旨在通过变桨来改善升力型立轴风力机叶片气动特性,提高风力机最大运行效率。针对设计尖速比下风能利用系数较低的问题,提出减小叶片小攻角范围,增大叶片大攻角工作范围,以重点改善叶片低性能区域的气动特性为出发点,提高风能利用系数新变桨思路。以采用NACA0012翼型、2 m高和2 m旋转直径的两叶片H型风力机为研究对象,从涡理论来分析和比较在最佳尖速比为5的条件下,附着涡、尾随涡、脱体涡和桨距角对攻角、切向力和功率输出的影响规律。研究结果表明:变桨后,叶片的攻角、切向力和输出功率在原最大值两侧均有明显提高,拓宽了叶片高性能的工作区域;涡系中脱体涡对叶片气动特性影响最大,其中在上盘面影响较小,在下盘面影响较大;变桨前后涡系对上盘面的差异较小,对下盘面的影响差异较明显;变桨后,下盘面的叶片的涡尾迹弯曲程度在加大。     

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。     

尾随涡对风力机叶片气动性能影响机理研究

以Phase Ⅵ风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,对所建立的叶片模型和二维S809翼型的气动特性进行研究和对比分析。结果表明：旋转叶片尾随涡对分离现象产生抑制作用且随攻角的增大减弱;尾随涡的影响表现出多重效应,除了减小当地翼型的攻角,还降低其吸力面负压系数和压力面正压系数。     

An improved prediction model of vortex shedding noise from blades of fans

The main source of the noise of an axial flow fan is the fluctuating pressure field on blade surfaces caused by the shedding of vortices at the trailing edge of blades. An analytical model to predict the vortex shedding noise generated at the trailing edge of blades of axial flow fans was proposed by Lee in 1993. In this model, for mathematical convenience, an idealized vortex street is considered. However, the agreement between the analytical results and the experimental data needs to be improved because of the simplification about the Karman vortex street in the wake of blade. In the present study, a modified model is proposed based on the prediction model by Lee. The boundary layer theory is used to analyze and calculate the boundary layer development on both the pressure and the suction sides of blades. Considering the effect of boundary layer separation on the location of noise source, the predicted overall sound pressure level compares favorably with the experimental data of an axial fan. In the calculation of A-weighted sound pressure level (L_A), considering the effect of static pressure on radiate energy, the predicted broadband noise with the modified model compares favorably with the experimental data of a multiblade centrifugal fan.