基于Fluent的风力机叶片翼型气动性能数值计算

风力发电是新能源利用的重要方式,风力发电机叶片翼型的气动参数特性分析对叶片翼型设计具有重要意义。采用数值方法研究不同攻角时NACA4415翼型的气动特性。利用ICEM对NACA4415翼型进行结构化网格划分,建立S-A湍流模型进行数值计算。结果表明在6°攻角时翼型存在最大升阻比,此时翼型的气动性能最佳,对风能利用率最高;14°攻角时翼型开始出现失速,翼型后部出现的气流分离是造成失速的主要原因。     

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。     

叶片副翼摆角对两段式翼型气动性能的影响

以Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型为计算模型,对风力机叶片NACA0018翼型在副翼摆角分别为0°、5°、10°和15°下的流体流动情况进行数值模拟,分析不同攻角下带副翼翼型上升阻力性能曲线以及翼型表面压力分布云图和流场流线图,研究不同摆角对带副翼翼型的空气动力学性能的影响。结果表明:相同攻角时,翼型的升力系数随着副翼摆角的增大而减小;副翼摆角的增大可以增大翼型的失速攻角,改善翼型周围流体的流动状况,提高翼型周围特别是副翼周围流体流动稳定性,抑制流动分离涡的形成。     

应用激面模型潮流能水轮机的数值模拟

为了减少潮流能水轮机模型流场计算所需的网格数并提高透平近尾流区流场的精度,在潮流能水轮机流场数值计算中引入激面模型。通过数值计算获得与实验一致的潮流能水轮机用水翼不同攻角下沿弦长的压力分布,应用二维激面模型模拟攻角为10.8°时水翼周围流场的压力分布与翼型结构模型数值计算结果相吻合。在此基础上将二维激面模型扩展成三维激面模型,分析三叶片潮流能水轮机的水动力性能与近尾流场结构,结果显示:应用三维激面模型计算获得的透平水动力性能与实验结果和激盘模型结果基本一致;在计算域网格数相近的情况下,激面模型获得较激盘模型更详细的潮流能水轮机近尾流场。结果证明了激面模型的优越性,并可应用于潮流能水轮机水动力性能及流场计算。     

潮流能水平轴水轮机翼型几何参数对其转捩特性的影响研究

边界层转捩对潮流能水轮机翼型的摩擦阻力、流动的分离位置等有较大影响,为了研究潮流能水平轴水轮机翼型的转捩特性,以NACA4418为初始翼型,采用控制变量法对初始翼型进行几何修形来研究不同厚度、不同弯度对潮流能水平轴水轮机翼型边界层转捩及其水动力学性能的影响。通过Fluent软件中的UDF功能将Michel转捩判据与γ-Reθ转捩模型相结合的经验关联值写入求解器中。通过计算,得到不同弯度和厚度的翼型转捩点位置随不同来流攻角的变化规律以及翼型表面的边界层转捩对其水动力学性能的影响规律。研究结果表明:典型工况下,来流攻角越大,翼型边界层转捩点位置随攻角的增大前移,相对厚度和相对弯度均会使转捩点向前缘移动,小攻角条件下弯度影响有减缓的趋势。     

基于Fluent的风力机叶片翼型气动性能数值研究

为了对风力机叶片翼型特性进行研究,通过Fluent软件对NACA4412翼型的不可压缩流动特征参数进行数值仿真研究。计算迭代得到翼型在0°~20°攻角下的升阻力系数,描述了各气动特性变化关系规律,分析了不同攻角下压力和速度分布云图。结果表明:随着攻角的增大,升阻力系数均增大,升阻比在4°~6°时达到最佳值,翼型左右两侧的高压区向翼型下表面移动,上部低压区域向翼型前端移动,翼型上部高速部分往前缘移动,气动绕流的分离点位置前移,为风力机叶片气动性能分析和叶片位置铺层提供重要参考。     

风力机叶片S832翼型的两种湍流模型数值分析方法及其比较

采用S-A和RNGK-ε湍流模型对风力机专用S832翼型的绕流流动建立了二维不可压缩湍流模型,利用计算流体力学软件Fluent,对两种模型进行数值模拟,得到了雷诺数为3×10^6时该翼型在-16°～30°攻角下的升力系数和阻力系数与来流攻角的关系以及压力分布图,并进一步分析了不同攻角下翼型表面压力分布特性,预测了大攻角（达30°）下翼型分离流动特性。结合NREL的试验数据,对两种湍流模型模拟的精度进行了分析比较,结果表明在小攻角范围内采用RNGK-~模型预测该翼型气动性,其结果更加有效。     

翼型厚度对襟翼翼型气动性能的影响

基于Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型,针对NACA0012、NACA0015和NACA0018三种厚度对称襟翼翼型在相对翼缝宽度分别为10‰、15‰和20‰下翼型周围流体的流动情况进行数值模拟,对比分析三种对称翼型在攻角(AOA)为-9°~17°下的升、阻力特性曲线以及翼型周围压力云图和流线图,研究厚度影响襟翼翼型空气动力学特性的流体流动机理。结果表明:襟翼翼型的失速攻角随着翼型厚度的增大而增大,翼型厚度的增大可提高翼型周围特别是襟翼周围流体流动稳定性,使得翼型发生流动分离的分离点向尾缘襟翼处移动,减小尾缘分离涡的影响范围和结构复杂度。     

PREDICTION OF THE AERODYNAMIC CHARACTERISTIC OF WIND TURBINE AIRFOILS THROUGH ±180°ANGLE OF ATTACK

利用经验公式、小攻角下翼型气动特性数据建立了翼型在-180°～180°攻角范围内的气动特性估算模型.以NACA0012翼型、NACA0015翼型为例,对翼型全流向范围的升力系数、阻力系数、力矩系数进行了估算,并对风力机翼型DU96-W-180的升力系数、阻力系数进行了估算,将估算结果与实验结果进行比较,验证了估算方法的合理性.     

翼型水动绕流特性数值模拟分析

水力机械叶轮水力设计时,在保证叶片适当的进出口角度的前提下,均选用空气动力学翼型。基于GAMBIT网格技术和CFD中FLUENT软件,以常用的全对称翼型NACA0012和非对称翼型NACA63-415为基准翼型,对水流作用下的水动绕流特性进行了二维流场数值模拟计算,对比分析了两种翼型在高雷诺数Re=5×106和攻角-5°~90°下的流动特性变化,尤其是在大攻角时翼型表壁涡脱落及扩散的流场特性,获得了翼型的流场云图、矢量图、升力与阻力及升阻比的曲线图,同时对比研究了水与空气中的绕流特性,结果有益于了解流体机械叶片翼型的水动特性,可为流体机械叶轮叶片翼型的设计、选择和研制提供重要的理论依据。     

弹片参数对风力机叶片翼型气动性能影响研究

为提高风力机叶片翼型气动性能,在NACA0018翼型上表面附加类似于鸟类羽毛的弹片,通过数值模拟方法研究弹片参数包括弹片角度、位置和长度对翼型气动性能的影响。结果表明：在失速攻角之前,弹片产生负面影响,而失速攻角之后,弹片产生预期效果,且在每个攻角下存在一个最优弹片角度,攻角越大,对应最优弹片角度也越大,但并非线性关系;失速攻角前,弹片位置越靠近尾缘,其带来的负面影响越小,而在失速攻角后,弹片越靠近前缘效果越佳,阻力系数最高降低67.04%,且失速攻角由14°推迟到16°左右;失速攻角前,弹片越短,弹片所带来负面影响越小,失速攻角之后弹片长度越长效果越好,阻力系数最大减小40%左右。     

水介质中尾部锯齿结构叶片数值计算

为了验证将空气动力学中翼型部件采用的锯齿形尾部结构引入到水力机械翼型部件中的可行性,建立了NACA0012型对称型叶片的几何模型,并在此基础上建立了尾部带锯齿的NACA0012型叶片修改模型,利用数值计算方法计算了在入流速度10 m/s下带锯齿与不带锯齿的NACA0012型叶片在0°及10°攻角下的流场数据及压力脉动数据。计算结果表明,锯齿形边缘结构在攻角为10°时能有效减小叶片尾部、背水面的脱流及尾迹中的漩涡和流场中的水力振动,锯齿结构改善叶片水力性能效果显著;而攻角为0°时流场中水力振动轻微增加。由此说明,锯齿结构可起到改善水介质中翼型部件水力特性的作用。     

Numerical optimization of axial turbine with self‐pitch‐controlled blades used for wave energy conversion

Wells turbines are among the most practical wave energy converters despite their low aerodynamic efficiency and power produced. It is proposed to improve the performance of Wells turbines by optimizing the blade pitch angle. Optimization is implemented using a fully automated optimization algorithm. Two different airfoil geometries are numerically investigated: the standard NACA 0021 and an airfoil with an optimized profile. Numerical results show that each airfoil has its own optimum blade pitch angle. The present computational fluid dynamics optimization results show that the optimum blade pitch angle for NACA 0021 is +0.3° while that of the airfoil with an optimized profile equals +0.6°.The performance of the investigated airfoils is substantially improved by setting the blades at the optimum blade pitch angle. Both the turbine efficiency and tangential force coefficient are improved, especially at low flow rate and during turbine startup. Up to 4.3% average increase in turbine efficiency is achieved by optimizing the blade pitch angle. A slight improvement of the tangential force coefficient and decrease of the axial force coefficient are also obtained. A tangible increase of the stall‐free operating range is also achieved by optimizing the blade pitch angle. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

小攻角下翼型边界层分离对数值模拟结果的影响研究

基于三维RANS方程,分别选用RNG k-ε和RSM（雷诺应力模型）两种湍流模型对NREL S809翼型进行了CFD数值模拟,得到翼型的气动性能,并对比其计算结果。结果表明：随着攻角的增大,翼型边界层会产生分离。翼型边界层分离前,两种湍流模型模拟结果与实验数据有一定误差,但基本一致。翼型边界层分离后,模拟结果与实验数据相差较大,特别是随着攻角增大,流场内湍流运动加剧,模拟结果误差也随之增大。因此,边界层的分离是影响模拟结果的重要因素。     

风力机翼型的气动性能分析

风力机翼型气动性能分析是风力机气动设计和运行优化的重要基础。采用NUMECA软件对弯度为4%的风力机NACA4412翼型进行气动数值模拟,并与实验数据进行比较,取得比较一致的结果。在此基础上,对NACA2412、NACA4412、NACA6412不同弯度的翼型进行模拟分析,对三种翼型在不同攻角下的气动性能进行了比较,为风力机翼型弯度选择和翼型改型设计提供参考意见。     

基于大涡模拟及实验的压气机叶栅角区分离研究

为了研究叶栅内部的流动特性,以及不同攻角下的角区分离模式,对压气机叶栅流场进行了分析。针对两种攻角条件下的平面叶栅模型,采用瞬态雷诺时均(URANS)以及大涡模拟(LES)湍流模型进行了数值模拟研究,并结合叶栅风洞实验验证了数值模拟结果的准确度。对比研究了零攻角以及10°攻角下的叶栅出口流场,叶栅、端壁表面极限流线,以及角区分离结构。研究结果表明:LES能够较好地对角区、尾迹损失进行预测,但URANS在大攻角下的模拟则与实验偏差较大;零攻角下吸力面出现层流分离泡、转捩以及再附现象,而大攻角下吸力面前缘未出现层流分离,而是直接发生转捩以及再附现象;与零攻角相比,10°攻角下的角区分离在展向范围未发生明显变化,在横向范围有小幅度增加,但吸力面附面层分离导致尾迹范围扩大了接近130%,同时总压损失系数提高了接近135%,即大攻角下的主要损失是由吸力面附面层分离以及尾迹损失带来的,而非角区分离。     

基于滑移网格的垂直轴潮流水轮机的三维数值模拟

为了探究翼型对垂直轴水轮机水力效率的影响,基于叶素理论分析建立了垂直轴潮流水轮机在水槽中的物理模型,采用滑移网格技术在Fluent软件中对模型的流场进行了三维数值模拟。在保持转速一定、更改来流速度即改变叶尖速比的条件下,分析了两种不同NACA翼型直叶片的潮流水轮机内部流场以及水力性能。结果表明,翼型以及叶片安装角对垂直轴潮流水轮机的利用效率影响很大,其流动特性与来流速度、叶片布置形式有重要联系,为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。     

垂直轴风力机两种翼型气动性能比较研究

叶片是风力机最重要的组成部分,在不同的风能资源情况下,翼型的选择对垂直轴风力机气动特性有着重要的影响。文章分别以NACA0018翼型(对称翼型)和NACA4418翼型(非对称翼型)建立3叶片H型垂直轴风力机二维仿真模型。应用数值模拟的研究方法,从功率系数、单个叶片切向力系数等方面比较两种风力机模型在不同叶尖速比下的气动特性,并采用风洞实验数据验证了流场计算的准确性。CFD计算结果表明:在低叶尖速比下,NACA4418翼型风力机气动特性优于NACA0018翼型风力机,适用于低风速区域;在高叶尖速比下,NACA0018翼型风力机气动特性较好,适用于高风速地区。而且在高叶尖速比时,NACA0018翼型在上风区时,切向力系数平均值要高于NACA4418翼型,在下风区时,NACA418翼型切向力系数平均值高。该研究可为小型垂直轴风力机翼型的选择提供参考。     

兆瓦级H型垂直轴风力发电机气动设计方案的数值模拟研究

为解决兆瓦级H型垂直轴风力发电机气动设计过程中实验和数值模拟方面耗费巨大的问题,基于升力线模拟方法完成了兆瓦级H型垂直轴风力发电机的气动设计,并利用该方法研究不同垂直轴风力机翼型设计方案对整机气动性能的影响,研究结果表明:基元翼型选用NACA0015和NACA0018对称翼型能够获得更高的风能利用率;整机叶片造型方案中,前掠翼型性能优于直叶片,前掠翼型方案的最大风能利用率随掠角增大而小幅上升,完整旋转周期内的风能利用率则随掠角增加先增大后减小,且在掠角3°时可取到整体最大风能利用率;后掠翼型性能差于直叶片,风能利用系数随掠角增大而减小;前掠与后掠组合翼型方案性能稍好于直叶片,但不如前掠叶片;不同方案之间存在性能差异的原因可能在于不同翼型的叶片分离涡在竖直方向上的旋涡脱落顺序方面存在差异,其中上部较早脱落的前掠方案有助于风能利用系数提升,下部较早脱落的后掠方案则会对风能利用系数产生负面影响。