格尼襟翼对翼型气动性能影响的数值研究

为了分析襟翼对风力机翼型气动性能的影响,采用FLUENT软件对带有襟翼和不带襟翼的NACA4412翼型进行了数值模拟。首先通过不同计算模型结果与实验数值的对比,确定了适用于翼型计算的数值边界条件和湍流模型;其次,通过比较无襟翼和1%、2%、4%弦长3种襟翼高度的翼型气动性能和流场的压力分布等,对襟翼对流场的影响和增升原理进行了分析。结果表明:在-5°～+17°攻角范围内,Gurney均可有效增加翼型升力,并且襟翼高度越大增升越明显,但同时阻力也会有所增加,受二者共同作用在小攻角时升阻比变化不大,大攻角时升阻比明显增加。襟翼后卡门涡街代表的低压区和襟翼前角涡代表的高压区的形成是增加翼型升力的根本原因。     

襟翼结构对风力机翼型性能的影响及优化设计

为了研究襟翼结构对风力机翼型气动性能的影响,选用NACA0012翼型,建立了翼型加装襟翼的二维计算模型,使用计算流体力学软件Fluent求解定常、不可压缩雷诺平均的N-S方程和Spalart-Allmaras单方程湍流模型,分析了典型的NACA0012翼型添加不同几何形状襟翼在0°~18°攻角α范围内的气动特性。通过计算表明:在风力机翼型上添加不同结构襟翼,能够提高翼型的有效升力系数,添加同样高度和厚度的三角形襟翼比添加矩形襟翼时的升力系数要大,而阻力变化甚小;因此,选择适当的几何形状襟翼不仅能起到增升效果且能相应的节省材料从而改善其经济性。     

襟翼改型对风力机专用翼型气动特性的影响研究

采用数值模拟方法研究襟翼改型对S809翼型气动特性的影响,并对襟翼的增升机理进行探讨。研究结果表明,在中小攻角范围内,安装角度为90°和60°的襟翼具有一定的增升效果,可使最大升力系数分别提高5.66%和3.95%;通过分析翼型压力系数分布,发现尾缘附近压力面压力变大,导致升力系数提高;但是在大攻角下改型襟翼导致升力系数减小。     

Gurney襟翼对风力机翼型气动噪声影响的数值模拟

为分析Gurney襟翼对风力机翼型气动性能和气动噪声特性的影响,利用Fluent软件中的LES模型计算攻角为4°～20°时原始翼型和带有不同高度Gurney襟翼翼型的气动性能和流场分布,并基于FW-H声类比方法,利用Acoustics模块精确求解远场气动噪声。结果表明:升力系数大于0.8时,Gurney襟翼能明显增大翼型升力系数,但阻力系数也显著增大;襟翼高度小于3%弦长时,失速攻角明显增大;襟翼高度大于3%弦长时,升力系数增幅减小,阻力系数增幅增大,且气动噪声急剧增加,翼型声辐射特征呈现偶极子声场的特点。     

襟翼翼缝相对宽度对翼型动态气动性能的影响

采用Fluent数值模拟的方法,以NACA0018对称翼型为基准翼型,分析了尾缘襟翼翼缝相对宽度不同时,襟翼动态摆动对翼型流场以及升阻力特性分析。选取襟翼相对长度为0.2,襟翼翼缝相对宽度分别为1.0%、1.5%和2.0%,当襟翼最大摆角θ为15°时,分析翼型动态气动性能。数值结果分析表明:襟翼的摆动导致原本对称的翼型不再是对称翼型,改变了翼型的弯度,翼型升力和阻力系数的最大值均增大;相同摆角下,翼缝相对宽度越大,其翼型升力系数值愈大;襟翼在摆角θ为10°~15°时,在襟翼下表面出现尾缘回流涡;当襟翼摆角θ为-10°~-15°时,襟翼上表面出现回流涡,且随着襟翼摆角的增大,该回流涡范围逐渐扩大。     

襟翼相对长度对翼型气动性能的影响

以NACA0018为基准翼型,采用Fluent数值模拟方法对比研究了襟翼相对长度(分别取0.2、0.3和0.4)和翼缝相对宽度(分别取1.0%、1.5%和2.0%)对翼型流场结构及升、阻力特性的影响,并着重分析襟翼相对长度对翼型气动性能的影响.结果表明:由于襟翼对翼型周围主涡发展和变化的影响,不仅改善了翼型的失速特性,同时也提高了翼型的气动性能;襟翼翼型的失速攻角在研究范围内均大于基准翼型;在攻角小于失速攻角时,襟翼翼型的升力系数均小于基准翼型,阻力系数均大于基准翼型,但升力系数的最大值均大于基准翼型;随着襟翼相对长度的增大,翼型失速攻角逐渐减小;当攻角接近翼型失速攻角时,升力系数先增大后减小;襟翼相对长度相同时,随着翼缝相对宽度的增大,升力系数逐渐减小.     

涡流发生器对风力机翼型气动性能影响的实验研究

为研究涡流发生器对风力机翼型DU93-W-210气动性能的影响,在有、无涡流发生器的情况下进行风洞实验。实验研究不同高度(4、6、8 mm)、不同安装角(16°、26°、36°)三角形涡流发生器的增升减阻效果。研究表明3种不同高度、安装角的涡流发生器均能使最大升力系数大幅提高,失速攻角推迟;失速前涡流发生器高度越大阻力越大,失速后3种高度涡流发生器均能大幅降低阻力。安装角越小线性段阻力越小,失速后使升阻比提高越多。     

襟翼翼缝相对宽度对翼型气动性能影响研究

以NACA0018为基准翼型,采用Fluent数值模拟的方法,对比研究了襟翼相对长度和翼缝相对宽度对翼型流场结构及升、阻力特性的影响;分别选取襟翼相对长度分别为0.2、0.3和0.4和翼缝相对宽度分别为1.0%、1.5%以及2.0%,着重分析翼缝相对宽度对翼型气动性能的影响。数值结果表明,由于襟翼对翼型周围主涡发展和变化的影响,不仅改善了翼型的失速特性,同时也提高了翼型的气动性能。襟翼翼型的失速攻角在此次研究范围内均大于基准翼型,在攻角小于失速攻角时,襟翼翼型的升力系数均小于基准翼型,阻力系数均高于基准翼型,但升力系数的最大值均高于基准翼型;随着襟翼相对长度增大,翼型临界攻角逐渐减小;在攻角接近翼型失速攻角时,升力系数先增大后减小;襟翼长度相同时,随着翼缝相对宽度的增大,升力系数逐渐减小。在翼缝流体入口端,主翼末端存在一个涡,随着翼缝相对宽度增大,该涡流范围逐渐扩大;在襟翼前端有局部的压力升高,随着翼缝相对宽度增大,该局部高压范围扩大。     

襟翼长度对翼型气动性能的流动机理研究

以NACA0018为基准翼型,采用Fluent数值模拟的方法,对比研究了襟翼几何长度对翼型流场结构及升、阻力特性的影响;分别选取襟翼几何长度分别为0.2、0.3和0.4,翼缝相对宽度为1.5%,分析了襟翼几何长度对翼型气动性能的影响。结果表明,由于襟翼对翼型周围主涡发展和变化的影响,不仅改善了翼型的失速特性,同时也提高了翼型的气动性能。襟翼翼型的失速攻角在此次研究范围内均大于基准翼型,在攻角小于失速攻角时,襟翼翼型的升力系数均小于基准翼型,阻力系数均高于基准翼型,但升力系数的最大值均高于基准翼型。     

涡发生器间距对翼型气动性能影响的实验研究

以DU93-W-210风力机专用翼型为研究对象,采用风洞实验方法研究4组涡发生器(VGs)间距(S=5H、7H、13H、19H,H为VGs高度)对翼型气动性能的影响规律。风洞实验结果发现:在洁净翼型失速攻角(8°)之前,涡发生器对翼型的升力系数影响较小。而对于阻力系数及升阻比,当间距S=5H、7H时会使翼型的阻力系数增加,其中S=5H时阻力最多增加27%,升阻比降低19%。间距S=13H、19H时使翼型阻力系数降低,其中S=13H时阻力最多降低70%,升阻比最多增加160%;在翼型失速攻角(8°)之后,涡发生器均能增加翼型升力、降低阻力、增加升阻比,其中S=5H时翼型升力系数最多增加48%,增加失速攻角近10°,且在失速攻角之后,S=5H时翼型升阻比增加最多。故加装涡发生器不一定在全攻角范围内均增加翼型升阻比,但会增加翼型最佳升阻比的攻角范围。所以,涡发生器存在最佳间距,若从最大升力系数来判断,当间距S=5H时效果最佳。若从最大升阻比来看,当间距S=13H时效果更佳。     

基于多岛遗传算法的襟翼优化

以NACA0012翼型为基础建立尾缘襟翼模型,采用多学科设计优化框架软件Isight、CFD(计算流体力学)软件Fluent(CFD软件包)以及遗传优化算法,对翼型的气动特性进行优化设计,研究了襟翼不同攻角和摆角对翼型气动性能的影响。基于遗传算法原理建立了优化模型,运用CFD数值模拟方法对流场特性进行分析,以升力系数和升阻比之和为目标函数进行寻优,得到使翼型气动性能最优的参数。结果表明:攻角α=12.183°、襟翼摆动角度为θ=1.100 0°时翼型的气动性能最佳,优化后翼型的升阻比增加了16%,升力系数增加了10.1%,同时也证明多岛遗传算法在翼型气动性能优化中的可行性。     

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。     

流动控制组合对风力机翼型性能影响的实验研究

为了研究基于涡发生器和Gurney襟翼流动控制组合的效果,对风力机专用翼型DU93-W-210进行风洞实验。实验工况包括光滑翼型、涡发生器、Gurney襟翼及不同组合方式。实验结果表明:Gurney襟翼与涡发生器组合不仅能获得更高的升力系数,而且能有效抑制流动分离,失速后阻力大幅降低。Gurney襟翼和涡发生器组合将2种装置的优势结合,得到更好的流动控制效果。双排涡发生器组合和单排涡发生器相比能更大程度延迟流动分离,进一步提高最大升力系数。     

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。     

振动膜片的流动控制机理研究

采用计算流体力学方法,研究了主流风速为10 m/s,翼型弦长雷诺数为1.2×10~5条件下振动膜片对NACA0012翼型在18°攻角深失速下流动分离的影响。研究表明:振动膜片能明显提高翼型升力系数、降低阻力系数、改善流场状况;当无量纲频率处在1~1.5范围内时,翼型升阻比可大幅提升,最大可提高75.7%;无量纲振幅对翼型升阻比的影响也很显著,相对于原型存在一个最佳的振幅使得翼型升阻比能获得最大提升;不同振幅下,最佳升阻比对应的无量纲频率随振幅增大而减小。     

基于吹吸结合射流的S809翼型增升减阻研究

为改善风力机翼型气动特性,提出吹吸结合射流(Suction-Blow Combined Jet,SBCJ)方式,以S809为基础翼型,研究在不同攻角、射流动量系数及开孔位置时SBCJ的控制效果,分析其控制机理和影响规律.结果 表明:SBCJ可移除翼型吸力面低动量流体并改变尾缘库塔条件,从而显著增大翼面两侧压差,最终提升翼型气动性能;当射流动量系数较小时,翼型升力显著增大、修正阻力减小且流动分离减弱;当射流动量系数为0.01、吸气孔距前缘0.15c、吹气孔距尾缘0.2c、攻角为10°时,翼型修正升阻比提升率最大.     

涡发生器参数对风力机翼型性能影响实验研究

为研究涡流发生器形状及弦向安装位置对风力机翼型DU93-W-210气动性能的影响,在有、无涡流发生器的情况下进行风洞实验。实验研究3种不同形状(三角型、矩形、梯形)涡流发生器增升减阻效果。结果表明3种形状涡流发生器使最大升力系数分别增加48.5%、50.3%、51.1%,失速攻角推迟10°。三角型涡流发生器效果最好。此外研究不同弦向位置(10%C、20%C、30%C,C为弦长)对流动控制的影响,结果表明20%C处VGs效果最好。     

基于低速预处理的风力机翼型外形优化设计

针对经典的S809翼型,耦合基于低速预处理的流场求解方法和序列二次规划方法,开展针对翼型升阻比的翼型气动外形优化设计研究。优化结果显示优化翼型具有较大的翼型前缘半径和较平坦的上表面。数值计算结果表明,优化翼型在设计点1的状态下升阻比提高43.3%,在设计点2的状态下升阻比提高48.9%。进一步数值验证表明,优化翼型在雷诺数为5.0×10⁵状态下的最大升力系数从S809翼型的1.140增大到1.297,在雷诺数为1.0×10⁶状态下的最大升力系数从1.236增大到1.418。在优化翼型的基础上,开展翼型气动外形人工修型研究,数值模拟表明修型翼型能更好地消除气流分离,从而进一步增大翼型升力系数、减小翼型阻力系数。     

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。     

NACA0018翼型锯齿格尼襟翼尾迹特征的Liutex分析

在雷诺数Re=1.38×105时,采用实验测量对比研究NACA0018原始翼型以及带有格尼襟翼和齿形襟翼翼型的尾迹涡结构,对比锯齿襟翼与格尼襟翼的控制机理。结果表明,在小攻角下,锯齿襟翼较格尼襟翼大大降低尾迹速度亏损,但速度偏转小于格尼襟翼。通过Liutex分析发现气流经过锯齿襟翼后产生了对涡结构,与襟翼固有的流向涡掺混耗散,削弱由于流向涡引起的尾流不稳定性,从而减小翼型的阻力。对比齿形结构不同位置处的流动表明,在尾缘附近,速度偏转角从齿根,齿中到齿尖依次增加,对于远场的尾迹,3个截面的流动一致。