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.     

风力机翼型动态失速数值模拟

在低雷诺数下,对NACA0012翼型和风力机专用翼型S809的动态失速进行数值模拟。研究不同网格密度、湍流模型对俯仰振荡翼型数值模拟的影响,并与实验结果进行对比验证。数值模拟得出的气动力迟滞曲线与实验结果变化趋势符合较好,表明了数值方法的有效性。采用此方法研究了北航自主开发的风力机专用翼型的动态失速特性。通过分析表明该翼型在动态失速过程中升力系数下降平缓,俯仰力矩振荡变化不显著,适合应用于兆瓦级大型风力机叶片。     

风力机翼型大迎角分离和动态失速的数值研究

通过求解非定常、不可压缩雷诺平均的Navier-stokes方程和SST k-ω双方程湍流模型,数值预测了LS0413翼型在0°～360°迎角范围内大尺度分离与失速流场特性。并对该翼型的动态失速特性进行了数值模拟,典型的正弦振荡计算结果表明:1)SST k-ω湍流模型能够较好地模拟翼型升力和阻力系数的迟滞环变化趋势;2)绕翼型的流场结构在轻失速和深失速下存在明显的差别。     

俯仰风力机翼型动态失速数值模拟

利用带转捩修正的k-ωSST湍流模型,对绕其1/4弦长点作正弦波周期性振荡的S809翼型,在弦长雷诺数为106,不同的平均攻角、振荡幅度以及折合频率情况下的流场进行二维数值模拟.数值模拟得到的升力、阻力和俯仰力矩系数与OSU风洞试验的数据进行比较,对比显示两者的气动力迟滞闭环具有良好的一致性.利用流线分布对各工况下的动态流场特性以及动态失速涡的发展进行详细描述,证明CFD方法是预测风力机翼型动态失速特性的有效途径之一,分析了动态失速对于实际运行的风力机的影响,说明在风力机性能预估中考虑动态失速影响的必要性.     

前缘分布式粗糙带对风力机翼型气动性能的影响

基于翼型粗糙容忍度，采用三维建模方法模拟分布式粗糙元，代替传统粗糙带，并利用3D打印技术打印粗糙前缘模型。通过风洞测试，得到前缘粗糙的18%厚度风力机翼型气动性能数据。测试结果表明，随着雷诺数的增加，翼型的升力系数增加。前缘粗糙会导致翼型的最大升力系数减小，阻力系数上升，最大升阻比减小，失速攻角提前。同时，相同粗糙水平下，相较于前缘凸起，前缘凹坑粗糙方式对风力机翼型气动性能影响较小。     

翼型前缘对风力机翼型气动性能的影响

基于翼型参数化方法对翼型S809进行两类不同的前缘修改,采用翼型设计分析软件Xfoil对修改前、后的翼型进行气动性能计算分析,并采用计算流体力学（CFD）数值模拟方法进行流场特性分析。结果表明：翼型前缘下弯使得翼型在失速区升力系数增大,阻力系数减小,俯仰力矩系数减小,转捩现象延迟,翼型前缘上弯对气动性能的影响与之相反;翼型前缘上弯和下弯使得翼型表面压力系数分布均匀,吸力面及压力面压力系数增大;翼型前缘下弯能够抑制流动分离,抑制涡的形成,延迟翼型失速,翼型前缘上弯对翼型流场特性的影响则与之相反。     

振荡翼型气动及其噪声特性的数值研究

针对低雷诺数下翼型的非定常气动噪声特性,采用计算流体力学(CFD)与Lighthill声类比相结合的方法,分别对俯仰、平振以及俯仰与平振耦合运动的翼型进行了分析,通过自定义程序控制翼型的运动规律,并对其流场及诱导的声场特性进行了数值仿真.结果表明:随着折合频率、振幅的增加,翼型表面升力系数的峰值增大,非定常迟滞效应增强;耦合运动的相位差改变了气动力的响应特性;对于振荡翼型激发的噪声,低频下单极子声源占主要地位;随着声源频率的增大,远场声压指向性逐渐体现出偶极子声源的特性.     

前缘改形对风力机翼型气动性能影响的数值研究

基于翼型参数化方法对翼型S809进行4类不同的前缘修改,分别为前缘压力面加厚、前缘吸力面加厚、前缘上弯和前缘下弯,采用翼型设计分析软件Xfoil和商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件FLUENT分别对翼型气动参数和翼型周围流场进行计算。结果表明:翼型气动特性与流场特性受翼型压力面外形变化影响较小;在研究范围内,翼型吸力面加厚使得翼型在失速区升力系数增加,阻力系数减小;翼型前缘上弯使得翼型在大攻角工况下升力系数减小,阻力系数增大,且使翼型提前失速;在一定范围内翼型前缘下弯,使得翼型升力系数增大,阻力系数减小,且延迟失速。     

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。     

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.     

Comparison of pitching and plunging effects on the surface pressure variation of a wind turbine blade section

Numerous experiments were conducted on an oscillating airfoil in a subsonic wind tunnel. The experiments involved measuring the surface pressure distribution when the model oscillated in two types of motion, pitch and plunge, at three different Reynolds numbers, 0.42, 0.63 and 0.84 million, and over a range of reduced frequencies, k = 0.03–0.09. The unsteady aerodynamic loads were calculated from the surface pressure measurements, 64 ports, along the chord for both upper and lower surfaces of the model. Particular emphasis was placed on the effects of different types of motion on the unsteady pressure distribution of the airfoil at pre‐stall, near‐stall and post‐stall conditions. It was found that variations of the pressure distribution and aerodynamic loads with angle of attack were strongly sensitive to the displacement, oscillation frequency and mean angle of attack. The width of the hysteresis loop, position of the ‘figure‐8 shape’ and slope of the pressure coefficient curve are influenced by both types of motion, pitch and plunge. The main difference between plunging and pitching motions is due to the presence of the pitch rate for the pitching motion case, which was absent in the plunging case. Pitch rate had the strongest influence on pressure data in the near‐stall and post‐stall conditions. The trend of increasing the width of the hysteresis loops of lift coefficients with changing reduced frequency was different in two motions in the pre‐stall and post‐stall regions. The aerodynamic damping was greater for the pitching case than for the plunging one at higher reduced frequencies due to the existence of the pitch rate in the pitching oscillation, which was reversed at lower reduced frequencies. In the near‐stall region, at higher reduced frequency, the dynamic stall angle for the pitching oscillation increased while for the plunging one the effect was minimal. Increasing the oscillation amplitude was more effective for the plunging motion than for the pitching one. The effects of surface grit roughness on the pressure signature for both types of motion were also investigated. Applying the surface roughness near the leading edge affected the performance of the airfoil significantly. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

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...     

偏航工况下叶片翼型动态特性研究

首先通过理论分析,研究风力机偏航运行时叶片各翼型的攻角变化规律,建立翼型俯仰运动模型;然后基于大涡模拟（LES）方法,研究偏航工况下叶片翼型的动态气动特性。结果表明：风轮在偏航工况下运行时,叶片各截面翼型攻角变化呈近似的正余弦规律;叶片不同展向位置翼型均发生不同程度的流动分离,出现动态失速现象,越靠近叶根,由偏航引起的动态迟滞效应越明显;翼型俯仰过程中,吸力面前缘分离泡的动态变化过程,导致吸力面前缘压力出现小范围的剧烈振荡,增大流动的不稳定性。     

凹变翼型对风力机气动性能影响的实验研究

为改进课题组自行设计某S型翼型结构,提高300 W小型水平轴风力机气动性能,本课题重点研究翼型吸力面凹变对风力机气动性能的影响.利用二阶迎风格式、S-A湍流模型数值模拟方法及内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室检测设备,探究风力机在3种定常风速、9种叶尖速比共27种工况下风轮的功率系数、功率、转矩等气动参数...     

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。     

尾缘襟翼对风力机翼型气动特性影响研究

尾缘襟翼(TEF)因其对翼型气动特性的调控能力,被认为是降低叶片疲劳和局部载荷最具可行性的气动控制部件。对TEF进行建模,采用Xfoil和CFD软件分析了TEF对翼型气动特性的影响及其机理,并从叶素理论角度对变化来流下TEF的减载效果进行了验证,结果表明:TEF位于不同摆角时翼型升阻力系数均有不同程度的变化,TEF可有效实现对翼型气动特性的主动控制;TEF摆动改变了翼型表面的静压分布和流动状态,进而对翼型升阻力和失速攻角产生影响;TEF可快速有效降低风速突然增加后的叶素受力,进而控制并减小叶片载荷。     

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。     

振荡扰流提高风力机翼型气动性能的研究

利用振荡扰流进行了改善风力机翼型大攻角下性能的研究。应用有限体积法，数值模拟了头部附加振荡扰流的翼型分离流动，并对振荡扰流增升效果的参数影响进行了分析。结果表明在深失速条件下，翼型头部附加的振荡扰流在一定的频率和振幅时能够显著改善翼型的气动性能，提高翼型的升力。与扰流振幅相比，调节扰流振荡频率更能改善翼型深失速条件下的气动性能。