分形尾缘叶片气动性能及流场数值模拟

针对风力机存在尾流效应问题,通过在垂直轴风力机叶片尾缘布置分形孔的方法,建立分形叶片三维实体造型,进行了分形叶片和原始叶片三维非定常不可压流动的分析,得出叶片绕流流场数值模拟结果,重点研究具有分形特征的尾缘对叶片尾流流场及叶片气动特性的影响。结果表明:分形叶片对改善叶片尾流流场有较显著作用。在8°~18°攻角范围内,分形叶片升、阻力系数随攻角变化波动性小于原始叶片;当攻角大于原始叶片失速攻角时,这种波动性差距更大。分形孔的存在使叶片周围流场结构及气动参数对攻角变化敏感性降低:在攻角大于原始叶片失速攻角时,分形叶片阻力系数随攻角变化标准差仅为原始叶片的0.6倍,升力系数标准差仅为原始叶片0.4倍。研究结果将改善垂直轴风力机叶片尾流互相干扰及水平轴风力机叶尖脱落涡情况。     

分流导叶垂直轴风力机气动性能研究

为提高垂直轴风力机气动性能,提出一种随相位角变化而改变相对夹角的分流导叶结构。以NACA0021为基础翼型,采用计算流体力学方法对分流导叶作用下垂直轴风力机风能利用系数、单叶片瞬时转矩、压力系数及速度场进行数值分析。结果表明：静态和动态分流导叶均可提高垂直轴风力机气动性能,且动态分流导叶提升效果更为显著;相较于静态分流导叶,动态分流导叶垂直轴风力机在尖速比为2.33时风能利用系数最高可提升23%,在尖速比为2.03时静态分流导叶垂直轴风力机较原始垂直轴风力机风能利用系数提高37%;分流导叶也可使最佳尖速比前移,稳定叶片转矩波动,提升垂直轴风力机的运行稳定性。     

干扰气流对Darrieus风轮气动性能影响研究

Darrieus风轮单个叶片的力矩特性曲线随方位角成波浪形变化,90°和270°方位角的力矩系数为极小值且为负值,严重影响立轴风力机整体气动特性。针对此问题,提出通过导叶来引入干扰气流,对两方位角的流场进行改善,进而提高整体气动特性的性能改善方法。采用SST k-ω湍流模型进行二维数值计算,以270°方位角加导叶的和无导叶的直叶片立轴升力型风轮为对象进行对比分析。研究发现,导叶使270°方位角附近区域的叶片力矩系数明显提升,最大力矩系数由无导叶的-0.03提升到0.07,使270°方位角叶片的吸力面负压系数和压力面正压系数都有较大提高;风轮风能利用系数在运行范围内都有明显提高,在最佳尖速比下提高12%。     

具有升阻复合启动结构垂直轴风力机气动特性数值模拟

提出利用升阻复合启动结构来改善直线翼垂直轴风力机气动特性,该启动结构由半椭圆形阻力叶片和升力小翼构成。基于RNG k-ε模型,对纯升力型、升阻复合型和新型复合风力机的气动特性进行二维数值研究,并进行对比分析。研究表明:增加小翼后,新型复合风力机的最大力矩系数较升阻复合型风力机提升25%,最大功率系数提升46%;静态启动力矩较升阻复合型提升11.2%,较纯升力型提升294%;小翼可削弱内置阻力叶片对升力叶片的不利影响。     

垂直轴风力机流场主动控制方法研究

针对垂直轴风力机叶片攻角连续性变化导致的非稳定流动,提出一种改善叶片攻角的主动变桨控制方法。首先通过实验验证数值模拟方法的可行性及有效性,其次对变桨控制前后风力机流场进行二维数值模拟,得到风力机在不同变桨条件下的气动特性及流场结构,计算结果表明:变桨控制可使叶片在不同方位角下处于更合适的攻角,进而获得较优的气动性能,变桨控制后的风能利用系数有所增加。随着最大变桨角度的增加,风能利用系数先增大后减小,最大可提高33.2%,同时主动变桨可抑制叶片尾缘流动分离,使得叶片尾涡耗散轨迹更贴合风轮旋转圆周。从而降低转矩系数波动幅值,提高风力机运行寿命。     

叶片数及弦长对升力型垂直轴风力机的影响

文章基于非对称翼型NACA4415,以功率系数为依据,以CFD仿真为手段,研究了在不同尖速比下叶片数与叶片弦长对升力型垂直轴风力机气动性能的影响,以及不同尖速比和叶轮实度不同时,垂直轴风力机功率系数的变化。研究结果显示,该类升力型垂直轴风力机叶轮实度取0.25~0.45,尖速比λ取2.5~3.4时,具有较高的功率系数。流场分析表明,当叶片弦长与叶片数的变化对流场的扰动能力小于垂直轴风力机从流场中获取风能的能力时,叶片弦长与叶片数的变化会增加垂直轴风力机的功率系数;反之,垂直轴风力机的功率系数降低。该研究为此类20 k W垂直轴风力机的设计与选型提供依据。     

基于复合形法的垂直轴风力机翼型优化设计

针对低速航空翼型不完全适合垂直轴风力机的问题,采用复合形法对小型垂直轴风力机常用的NACA0015翼型进行了优化设计。在复合形法优化设计过程中,选取翼型的弯度和厚度作为设计变量,以翼型最大切向力系数Ctmax和失速攻角αs的加权和作为目标函数。将XFOIL程序与Viterna-Corrignan失速后模型相结合,计算出优化前后翼型气动性能参数。结果表明,与NACAOO15翼型相比,新翼型的气动性能有了较大提高,最大升力系数增大了33.5%,失速攻角提高了3°,最大切向力系数增大了43.5%。     

水平轴风力机叶片翼型流场的数值模拟

为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性,利用计算流体力学软件FLUENT对水平轴风力机叶片常用翼型NACA63425流场进行了数值模拟,得出了翼型NA-CA63425在不同来流攻角下的升力系数、阻力系数、升阻比和不同流攻角下的流场流线图和翼型表面的压力分布。根据模拟结果对不同攻角下尾迹漩涡分离流动进行了分析和比较,得出该翼型气动特性随攻角的变化规律。     

风力机叶片前缘表面附着物对气动性能的影响研究

主要研究了风力机叶片表面附着物对其气动性能的影响。实验采用粘土作为附着物模拟叶片表面前缘结冰及结垢,模拟有附着物后叶片周围流场的变化、叶片升力及阻力系数的变化,并与原叶片的气动性能进行对比。比较分析了不同攻角下叶片外部压力分布的变化规律,计算分析了外部压力分布对表面附着物力学特性影响规律。该文实验攻角为-4°～24°,温度为250.37K。分别对比了叶片附着物的厚度和长度对叶片性能的影响,通过对比升力及阻力特性,发现与原叶片相比,附着物叶片的升力系数普遍减少,并随附着物长度和厚度的增加,升力系数降低得更剧烈。附着物是造成叶片气动性能恶化的主要原因。     

垂直轴风力机非对称翼型叶片变攻角方法

分析了H型垂直轴风力机非对称翼型叶片在一定雷诺数下的升力系数和阻力系数的变化,给出了叶片攻角的合理变化范围。通过分析风轮旋转一周叶片攻角的变化,给出了不同叶尖速比下叶片攻角随其方位角变化的规律。利用Origin软件计算出上下风区叶片的安装角与攻角的对应关系,并确定合适的安装角。分析表明,通过改变风轮叶片的安装角来调整叶片的攻角,能使风力机始终保持较高的功率输出。