气动弹片对垂直轴风力机性能影响研究

针对垂直轴风力机切向力峰值特性,提出一种具普适性的直线翼垂直轴风力机气动弹片运动控制策略。采用高精度CFD数值模拟方法,研究不同尖速比下气动弹片对垂直轴风力机气动性能的影响并分析了其流动机理。结果表明:气动弹片在高尖速比下可显著抑制流动分离并改善其动态失速特性,功率系数得到极大提升;切向力和转矩系数在气动弹片作用相位角范围内,均有一定提高,而在其它相位角内,风力机性能不受影响。     

叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究

对麦克马斯特大学H型垂直轴风力机进行改进,交错布置其叶片,设计了一种叶片交叠布置垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率,结果表明,在相同几何尺寸和工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率系数高于麦克马斯特大学H型垂直轴风力机,在尖速比为1.6时,最大功率系数达到0.338。最后分析了风场的涡强和风速分布特性,得出叶片交叠布置对于减少尾流影响具有显著作用的结论。     

气动双弹片对垂直轴风力机气动性能影响研究

针对叶片流动分离导致垂直轴风力机气动性能下降,基于鸟类羽毛随阵风轻微抬起维持气流在其外翼再附着的特点,在叶片两侧加装气动弹片,通过计算流体动力学方法研究其对垂直轴风力机的作用机理以及对其气动性能的影响,并基于动态模态分解对比分析气动弹片作用下垂直轴风力机尾迹流场模态特征。结果表明：气动双弹片可抑制叶片表面流动分离,提升整机气动性能,有效增加流场稳定性;可大幅提升垂直轴风力机叶片瞬时转矩、切向力及翼型吸力面压力系数,且使低尖速比成为最佳尖速比,有效提高自启动性能及运行过程中的稳定性,从而提升垂直轴风力机气动性能,流场动态模态分解表明双弹片有助于抑制尾流涡强度。     

尾缘襟翼垂直轴风力机气动性能分析

为减弱垂直轴风力机流动分离,提升其气动效率,设计一种伸出长度和偏转角度可变化的尾缘襟翼结构.以NACA0021为基本翼型,采用计算流体力学方法对尾缘襟翼垂直轴风力机瞬时转矩、风能利用系数、翼面压力系数及流场进行数值分析.结果表明:尾缘襟翼结构可有效减弱流动分离,使翼型表面压差增大、转矩升高;在低叶尖速比范围内垂直轴风力机的风能利用系数得到不同程度的提升;当叶尖速比为2.5,襟翼偏转角度为5°,伸出水平长度为0.1c时,尾缘襟翼垂直轴风力机气动性能最佳,其最高风能利用系数较原始垂直轴风力机可提升7.1％.     

辅助小翼装置对垂直轴风力机气动性能的影响

为抑制垂直轴风力机叶片流动分离,提升气动性能,提出一种加装在垂直轴风力机叶片内侧的辅助小翼装置.基于正交试验方法分析辅助小翼安装角度、翼型前缘点到辅翼前缘点水平及垂直距离3个参数对整机气动性能的影响.结果表明:辅助小翼可有效抑制叶片流动分离,增大翼面压差,减少大范围涡聚集,延缓动态失速发生;当尖速比为2.33,辅助小翼水平布置距离为0.7c、垂直布置位置为0.4c、安装角度为0°时,垂直轴风力机获得最大风能利用率,较原始风力机提升了 50.97％.     

垂直轴风力机叶轮气动性能计算

分别采用CFD计算软件数值模拟和一维流管模型法对垂直轴风力机气动性能进行计算。数值模拟采用Fluent软件,流场计算使用添加附面层的非结构网格,通过计算得到垂直轴风力机非定常流动特性。通过引入能量损失模型修正,建立新的垂直轴风力机一维流管气动性能计算方法。分别使用两种方法对叶轮的气动性能进行计算对比,结果表明:两种方法所得结果一致性较好,均具有一定的计算准确性。     

弯曲翼缝对垂直轴风力机气动性能的影响

通过改变椭圆长短轴比来构造不同曲率的翼缝,并研究了翼缝开口宽度和不同曲率对垂直轴风力机功率系数和启动特性的影响.结果表明:在低尖速比、大攻角下弯曲翼缝翼型使流体重新附着于吸力面,有效延缓了流动分离,使扭矩波动减小,且扭矩系数较原始翼型显著提高;与原始翼型相比,弯曲翼缝翼型的最佳尖速比较低,风力机运行环境更加稳定.     

垂直轴风力机动态流场及其气动性能分析

垂直轴风力机气动性能研究是风力机设计、实验的重要部分,对其运动状态下的流场进行分析是观测垂直轴风力机性能重要环节.基于NACA0012对称翼型,建立二维几何模型并进行模拟计算.采用k-ωSST湍流模型及滑移网格技术,通过CFD软件数值计算得到达里厄型直叶片垂直轴风力机运行时周边流场分布情况.通过比较不同方位角下流场涡量以及升、阻力系数得出:在方位角为105°附近时,翼型下表面产生流动分离,并导致失速;下风区翼型运行的流场由于受到上风区尾流的影响,翼型周围没有产生明显的流动分离.     

后退襟翼垂直轴风力机气动性能影响研究

为减缓流动分离对垂直轴风力机的影响,在叶片尾缘采用后退襟翼,采用不同的后退控制策略,旨在改善垂直轴风力机的气动性能。使用CFD软件STAR CCM+对垂直轴风力机叶片进行二维数值模拟,研究不同尖速比下后退策略对风力机的风能利用率、叶片平均力矩以及流动特性等的影响。研究结果显示:在最佳尖速比前后,风能利用率得到显著提高,在2.5尖速比下较原始风力机提高38.7%。此外,采用后退襟翼的叶片具有更大的失速攻角,失速现象被延迟并在较高攻角时才发生。     

伸缩式斜柱对垂直轴风力机气动性能影响研究

为改善垂直轴风力机动态失速特性,提出一种可随风力机方位角变化而自动伸缩的斜柱结构翼型。以NACA0021翼型为研究对象,采用数值模拟方法,分析其对垂直轴风力机动态气动性能的影响。结果表明：伸缩式斜柱在作用方位角内可显著抑制流动分离并提高垂直轴风力机转矩,最大风能利用系数较原始翼型提高13.6%;同时,伸缩式斜柱可使最佳工况点向低尖速比偏移,提高整机运行过程中的稳定性。     

风力机双层叶片式翼型气动性能

为了提高风力机的发电效率,优化风机叶片的翼型,以NREL研发的S809翼型为优化对象,设计了双层叶片翼型模型,利用Auto CAD软件建立了双层叶片翼型的几何模型。采取计算流体力学方法(CFD方法),对0~25.21°等26个攻角下双层叶片翼型进行气动计算,对其附近流场的流线图、压力分布云图、压力系数分布进行了分析,并与S809基准翼型进行了比较。结果表明:双层叶片翼型使叶片在不增加翼展的情况下增大升力;相比S809基准翼型,双层叶片翼型将失速攻角增加了6°;最大升力系数在S809翼型1.059的基础上增大到了1.363,研究结果为今后双层叶片翼型的研究打下了基础。     

小型水平轴风力机翼型气动分析与叶片设计

利用XFOIL程序模拟了S822翼型与S823翼型在光洁翼面与粗糙翼面下的性能变化,并基于MATLAB程序,采用Wilson方法进行了1 500 W水平轴风力机叶片设计。结果显示,光洁翼面下S822翼型最大升阻比高于S823翼型,粗糙翼面下S823翼型呈现出更好的粗糙度不敏感性;在额定叶尖速比时,S822翼型与S823翼型功率系数均达到最大值,分别为0.451 3与0.463 9;在有效叶尖速比范围内,S823翼型的功率系数C_P、推力系数C_T、扭矩系数C_M均高于S822翼型。因此,考虑到粗糙环境,选取S823翼型进行1 500 W风力机叶片设计的性能更加优良。     

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。     

具有低湍流度的VAWT系列翼型正向设计方法

文章选取了NACA0012,NACA2412及NACA23012等传统航空通用翼型,分析比较了在不同叶尖速比下各翼型的湍动能、湍流耗散速率、湍流粘度等湍流特性指标。当翼型弦线与流线重合时,沿流线的弦线能有效地抑制湍流的形成,使翼型对周围气流的扰动最小。并以此为思路,通过正向设计的方法,结合儒可夫斯基转换和特雷夫茨图解法正向设计了一种适用于VAWT的低湍流度系列新翼型。在数值仿真方面,选用k-ω标准湍流模型,采用稳态分析和面积分计算的方法,计算了各翼型在弧形计算域内的湍流特性,发现新翼型在湍流特性方面具有明显的优势,同时也验证了设计原理及方法的合理性。     

风力机叶片翼型结冰的气动性能数值模拟

采用Fluent软件模拟分析了攻角为0～90°时,结冰对NACA 63418翼型气动性能的影响,并与结冰前翼型的气动性能进行对比。结果表明,结冰对翼型的气动性能有明显的影响,当攻角为0～25°时,结冰使翼型的失速提前发生;当攻角大于25°时,结冰使翼型的阻力系数明显增大,升力系数也有一个明显的上升过程,并在50°攻角附近达到最大值后开始下降。     

某新翼型风力机叶片的设计与气动性能试验

利用作者所在课题组最新研发的某风力机新翼型,基于Wilson法,通过MATLAB编写的叶片设计计算程序获得了某300 W小型水平轴风力机新翼型叶片的相关数据,并制做了实体叶片。通过气动性能试验,验证了程序的可靠性。为进一步比较在相同设计条件下,新翼型叶片在气动性能方面的先进性,以NACA4415为设计翼型进行了叶片的设计计算,并制作了相应的翼型叶片。通过气动性能试验,验证了新翼型叶片的气动性能优于NACA4415翼型叶片。     

风力机叶片污染影响分析及抗污翼型设计探讨

通过分析翼型在固定转捩状态下的风洞实验数据,获得了污染对叶片各区域翼型气动性能的影响规律,即污染使叶尖区(0.6r/R≤1)、叶展中区(0.4r/R≤0.6)和近叶根区(0.2r/R≤0.4)翼型的升力系数减小、阻力系数增加、最大升力系数和最大升阻比减小,同时也导致叶根区(r/R≤0.2)翼型升力系数的复杂变化。污染发生在叶片前缘时对气动性能影响最大。风力机叶片在风场被污染后的实验数据表明,随着尘粒变大、污染面积增大,输出功率下降。另外,通过对叶尖区21%相对厚度翼型的几何参数进行设计,获得了抗污效果更好的新翼型。     

风力机叶片翼段气弹变形对翼型气动特性影响分析

当前弹性变形对风力机性能的影响是叶片气弹耦合机理研究重点,忽略了气弹变形对翼型气动特性的影响,而风力机性能很大程度上取决于变形后翼型气动性能。基于叶素动量理论及有限元法,采用MATLAB与APDL语言编制气动载荷插值程序,建立复合材料风力机叶片翼段气弹耦合模型。针对某2 MW实际叶片变形较大的叶尖附近翼段,选取厚度相同的3种不同翼型,通过不断迭代收敛研究翼段气弹变形对翼型气动特性的影响。研究表明,3种翼型气弹变形对其气动性能均有不同程度影响,而对WT180翼型影响较小。该研究对于设计抗气弹变形的新型翼型具有重要的理论指导作用。     

Influence of separated vortex on aerodynamic noise of an airfoil blade

In order to clarify the mechanism by which aerodynamic noise is generated from separated flow around an airfoil blade, the relation between the attack angle and the aerodynamic noise of the blade was analyzed using a wind tunnel experiment and a CFD code. In the case of rear surface separation, the separated vortex which has a large-scale structure in the direction of the blade chord is transformed into a structure that concentrates at the trailing edge with an increase in the attack angle. The aerodynamic noise level then becomes small according to the vortex scale in the blade chord. When the flow is separated at the leading edge, a separated vortex of low pressure is formed at the vicinity of the trailing edge. The pressure fluctuations on the blade surface at the vicinity of the trailing edge become large due to the vortex in the wake. It is considered that the aerodynamic noise level increases when the flow is separated at the leading edge because the separated vortex is causing the fluctuations due to wake vortex shedding.     

采用动网格与滑移网格技术的垂直轴风力机启动性能计算

针对垂直轴风力机的启动问题,采用动网格和滑移网格技术进行数值模拟和比较分析,并与公开发表文献的风洞实验数据进行了对比验证。文章通过对风力机启动的非定常过程进行研究,获得了风力机启动性能,并分析了计算所得的速度场。通过分析和综合对比显示,被动型动网格更适于风力机的启动性能模拟,得到的速度场与文献研究结果更接近。该模拟方法更符合流场的实际状态,为垂直轴风力机启动性能数值模拟提供了新思路。