基于分形几何的分形叶片气动性能与流动机理研究

提出一种在叶片尾缘布置分形孔的分形尾板叶片,以提高气动性能和改善流场流态。分别对原始叶片、无孔尾板叶片及分形尾板叶片进行三维流场数值计算,研究无孔尾板及分形尾板对叶片流场和气动特性的影响及流动机理。结果表明:分形尾板有助于改善叶片周围流场结构,降低了叶片吸力面上及周围的湍流强度,有效地延迟了流动分离;分形尾板叶片在提高最大升力系数的同时,延迟了失速的发生,且阻力系数较无孔尾板叶片小;在临近失速攻角时,分形尾板叶片阻力系数比无孔尾板叶片表现出较好的气动性能。     

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.     

合成射流控制策略对垂直轴风力机性能影响研究

设计一种斜出口合成射流激励器并将其应用于垂直轴风力机控制其动态失速,建立不同射流孔数量的叶片并采用5种不同合成射流激励器控制策略,通过FLUENT15.0并采用Realizable k-ε湍流模型分析射流孔数量与控制策略对垂直轴风力机气动性能的影响,进一步研究垂直轴风力机涡量场结构。结果表明:当采用上开口抛物线控制策略、射流吹气系数为0.035,射流孔数量为2时,风能利用系数与平均力矩系数均提升15.2%,随着射流孔数量增多,气动性能降低;采用传统合成射流控制策略的垂直轴风力机承受近乎2倍的载荷波动,改进的控制策略可减小叶片在小攻角时的载荷波动,从而相对提升垂直轴风力机的运行稳定性;另外,合成射流技术可抑制叶片吸力面大涡的生成与发展并使叶片强尾涡削弱成多个小尾涡,减小多个叶片间的流动干扰并降低转轴尾涡强度,从而改善全局流场结构。     

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。     

吹吸联合射流对垂直轴风力机气动特性的影响研究

针对垂直轴风力机(VAWT)复杂流场特性,提出一种基于吹吸联合射流的主动流动控制方法,以抑制攻角周期性变化导致的动态失速现象。通过在翼型吸力面前缘和压力面尾缘同时进行吸气与吹气,采用高精度数值模拟研究其对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明：在中低叶尖速比下吹吸联合射流对功率系数的提升效果最为明显,并能显著减缓叶片动态失速现象,消除整机负转矩,进而减小叶片离心力以及增加风轮的稳定性与安全性。     

仿鸮翼非光滑前缘对风力机叶片气动性能的影响

经过数百万年的进化,鸮形目鸟类在其飞行行为上显现出许多优异的特征。文章选取鸮翼的非光滑前缘作为仿生对象,设计出一种仿生风力机叶片,并分析非光滑前缘结构对风力机叶片气动性能的影响。采用S-A湍流模型,对低雷诺数下原型风力机叶片和仿生风力机叶片进行绕流流场模拟。模拟结果表明,在大攻角下,仿生风力机叶片的前缘凸起能够改变气流在叶片表面的流向分布,使气流在吸力面仍保持附着流动,进而减少叶片吸力面的失速区,有效延缓叶片失速现象的发生,从而使得仿生风力机叶片的失速角比原型风力机叶片的失速角推迟了10°左右,改善了风力机叶片的气动性能。     

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。     

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。     

导叶式升力型垂直轴风力机的数值研究

分析传统H型Darrieus风力机整体气动特性低的原因,从改善风力机极小攻角处极差气动特性出发,提出一种在极小攻角处添加导叶的导叶式升力型垂直轴风力机。采用非定常RNG湍流模型和滑移网格技术,对导叶式升力型垂直轴风力机的空气动力场进行二维数值模拟。比较分析0°方位角导叶对叶轮流场、叶片表面压差系数及叶片力矩的影响。研究结果表明,导叶改善了叶片表面负压差区,使叶片表面压差系数提高了56.2%,叶轮转矩增加了25.4%,有效地提高了风力机整体气动性能。     

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...     

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。     

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。     

风力发电机叶片设计与气动性能仿真研究

运用叶素理论和气动理论,基于设定的风力机性能参数对风轮叶片进行三维设计。利用Gambit建模软件对风力机单叶片进行三维建模,再用Fluent软件进行风力机叶片气动性能的数值模拟,仿真叶片气动流场流态,并计算叶轮的升力、阻力和扭转力矩;验证风力机气动性能数值模拟的可行性和可靠性;计算发电机组功率和风能利用效率等性能参数。对风力发电机叶片的设计和气动数值模拟计算分析的工作可深化对风力发电机组三维叶片的气动性能的了解,仿真风力发电机组气动流场,能为风力机叶片的设计、改型和研发工作提供技术参数和指导意见。     

New vortex‐lift and tangential‐force models for HAWT aerodynamic load prediction

Horizontal axis wind turbines (HAWTs) experience three‐dimensional rotational and unsteady aerodynamic phenomena at the rotor blades sections. These highly unsteady three‐dimensional effects have a dramatic impact on the aerodynamic load distributions on the blades, in particular, when they occur at high angles of attack due to stall delay and dynamic stall. Unfortunately, there is no complete understanding of the flow physics yet at these unsteady 3D flow conditions, and hence, the existing published theoretical models are often incapable of modelling the impact on the turbine response realistically. The purpose of this paper is to provide an insight on the combined influence of the stall delay and dynamic stall on the blade load history of wind turbines in controlled and uncontrolled conditions. New dynamic stall vortex and nonlinear tangential force coefficient modules, which integrally take into account the three dimensional rotational effect, are also proposed in this paper. This module along with the unsteady influence of turbulent wind speed and tower shadow is implemented in a blade element momentum (BEM) model to estimate the aerodynamic loads on a rotating blade more accurately. This work presents an important step to help modelling the combined influence of the stall delay and dynamic stall on the load history of the rotating wind turbine blades which is vital to have lighter turbine blades and improved wind turbine design systems.     

基于Theodorsen理论的新型动态失速预测模型及其应用

风力机叶片动态失速时的非定常气动特性及严重的迟滞现象使得风力机功率实测值严重偏离其静态预测值。鉴于此,基于Theodorsen理论、基尔霍夫势流理论,在忽略低阶附加质量引起的下洗气流加速度项及状态变量转换后,提出一种包括翼型附着流和后缘动态分离流的新型动态失速模型。利用该模型分析NREL 5 MW海上风力机叶片6种翼型的非定常动态失速特性得出：通过翼型的气流在完全附着流与完全分离流之间不断转换,受附着流脱落尾诱导的动态下洗气流影响及边界层动态分离产生的压力滞后的双重作用,动态升力系数变化曲线和静态升力现象曲线偏差较大,6种翼型动态升力系数变化曲线均呈非常明显的迟滞环现象。DU40、DU35、DU30、DU25、DU21和NACA64这6种翼型动态升力系数增幅明显,分别达17.6%、60.9%、60.7%、55.1%、63.7%和40.8%。动态失速攻角极大地超过静态失速攻角,分别增大到36.53°、21.40°、20.20°、17.68°、16.97°和21.42°。6种翼型动态失速预测结果与公开实验数据结论一致,证实所提出的动态失速气动模型计算结果准确可信,具有较强通用性。     

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。     

定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性.基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比(TSR)下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布.结果表明:不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减...     

Estimating the angle of attack from blade pressure measurements on the National Renewable Energy Laboratory phase VI rotor using a free wake vortex model: yawed conditions

Wind turbine design codes for calculating blade loads are usually based on a blade element momentum (BEM) approach. Since wind turbine rotors often operate in off‐design conditions, such as yawed flow, several engineering methods have been developed to take into account such conditions. An essential feature of a BEM code is the coupling of local blade element loads with an external (induced) velocity field determined with momentum theory through the angle of attack. Local blade loads follow directly from blade pressure measurements as performed in the National Renewable Energy Laboratory (NREL) phase IV campaign, but corresponding angles of attack cannot (on principle) be measured. By developing a free wake vortex method using measured local blade loads, time‐dependent angle of attack and induced velocity distributions are reconstructed. In a previous paper, a method was described for deriving such distributions in conjunction with blade pressure measurements for the NREL phase VI wind turbine in axial (non‐yawed) conditions. In this paper, the same method is applied to investigate yawed conditions on the same turbine. The study considered different operating conditions in yaw in both attached and separated flows over the blades. The derived free wake geometry solutions are used to determine induced velocity distributions at the rotor blade. These are then used to determine the local (azimuth time dependent) angle of attack, as well as the corresponding lift and drag for each blade section. The derived results are helpful to develop better engineering models for wind turbine design codes. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

尾缘气动弹片对翼型动态失速特性影响研究

通过研究尾缘气动弹片对翼型动态失速特性影响,提出一种基于气动弹片的主动控制策略,使其于大攻角时抬起,小攻角时闭合。并采用计算流体动力学方法对比分析主动式气动弹片对不同厚度翼型抑制流动分离作用的效果。结果表明：对于薄翼型,发生动态失速时,气动弹片可延缓翼型尾缘涡旋与前缘主流涡的相互作用,减小翼型升力系数骤降幅度;随翼型厚度增加,流动分离点从翼型前缘转向后缘,气动弹片可有效分割较大分离涡,减轻流动分离程度,限制分离涡发展,同时抑制尾缘伴随小涡产生,提高翼型升阻比。