基于自由涡的风轮失谐气动特性研究

采用一种改进的自由涡方法研究了风切变条件下,叶片安装角存在偏差的失谐风轮的气动特性。计算方法由模拟叶片气动力的非线性升力线法和模拟尾迹涡运动的时间精确自由尾迹法构成。以某2.5 MW风力机为例,计算了功率曲线和叶片气动力分布,并与Bladed软件和CFD计算结果进行了比较。研究了切变风条件下,不同叶片安装角偏差量,风轮推力、扭矩、偏航力矩和俯仰力矩的变化。结果表明,所采用的计算方法是准确有效的。风轮叶片安装角偏差,对风轮推力和扭矩影响较小,对风轮偏航和俯仰力矩影响较大。不同叶片安装角偏差量相反,会显著增加风轮偏航和俯仰力矩波动。     

基于非线性升力面方法的风力机尾迹数值模拟

基于非线性升力面方法,结合自由尾迹模型与黏性涡核模型,建立了轴向风和偏航风条件下的水平轴风力机气动载荷和尾迹的数值模拟方法。对具有丰富实验数据的NRELPhase VI风力机和TU Delft风力机进行了数值模拟,将叶片气动力以及尾迹场模拟结果与实验数据进行了对比分析。结果表明,计算方法可以较好地模拟风力机在轴向风与偏航风条件下的叶片气动力和尾迹,是一种具有较高工程精度和计算能力的数值模拟方法。     

水平轴风力机偏航气动性能分析

基于计算流体力学方法(CFD),采用带Gamma-Theta转捩的T-SST湍流模型,对NREL PhaseⅥ风力机在9个偏航角的气动特性进行了全三维非定常数值模拟。计算的功率与实验值吻合较好。提取了叶片截面翼型几何攻角和有效攻角,分析了不同偏航角下风轮的功率、推力,以及叶片沿展向各截面压力分布和法向力载荷系数的变化规律。偏航工况下,在旋转周期内,风轮功率、推力呈现2P波动性质,叶片气动载荷沿旋转方向呈现余弦交变性质。轴向来流工况时,叶片绕流的三维效应不明显。随着偏航角增大,三维迟滞回环越来越明显,且逐渐从内叶展过渡到中叶展,外叶展的迟滞效应不明显。     

水平轴风力机叶尖涡流动的PIV测试

在风洞开口实验段,针对不同尖速比应用PIV技术对风轮附近1/3圆周内的瞬时速度场进行测试。随着尖速比的增加,叶尖涡运动的径向位移增大,涡流诱导效应区域半径扩大,使整体尾迹半径增大;同时,尖速比增加使尾迹轴向速度亏损增大,叶尖涡运动的轴向位移减小。叶尖涡诱导效应与风轮旋转的相互作用使风轮附近形成强速度梯度区域,诱导效应延伸到风轮上游,激励叶片产生不同的振动形态,使叶片上脱落的叶尖涡结构在尾迹中出现波动,越向下游运动波动越强烈。通过叶尖涡核位置平均发现,在10°～120°方位角尾迹区域内,涡核运动轨迹与方位面交点的连线近似为直线,且该线的斜率随着尖速比的增加而增大。     

基于FlowVision的水平轴风力机偏航气动性能研究

为了能够准确的分析偏航条件下风力机的气动性能变化规律,本文应用FlowVision模拟了轴向来流和偏航下水平轴风力机气动性能的变化规律,并以TJ(?)EREBORG风力机为例进行验证,确认了数值分析的可靠性;在偏航风速条件下,数值计算结果可以很好地反映偏航下气动特征,偏航导致叶片气动性能和载荷分布的周期性波动,波动趋势近似余弦曲线,尾迹存在较为明显的偏斜现象。     

大型风力机叶片非线性气弹模型

大型柔性叶片在实际运行过程中存在明显的几何非线性变形问题。本文基于自由涡尾迹方法,与FAST进行耦合建立了完善的风力机叶片气弹模型。并通过NREL PhaseⅥ风力机对气动部分进行了验证,最后用耦合后的气弹模型对两种极端工况进行了数值仿真。结果表明,自由涡尾迹方法能够更好的模拟风力机叶片的气动变化过程。耦合后的气弹模型能够很好的模拟极端风切变下的结构变化。     

进入轨道偏差对火星科学实验室气动力特性的影响

针对火星科学实验室(MSL)高超声速进入过程,利用三维并行程序求解流体力学Navier-Stokes方程,耦合真实气体模型,分析火星大气中真实气体效应对进入器气动力特性的影响量在进入轨道发生偏差时的变化规律.结果表明:对海盗号的计算结果与飞行数据符合很好,验证了火星大气真实气体模型和计算方法;真实气体效应影响下,激波层厚度大为减小,温度下降明显,进入器阻力系数明显增加,升力系数变化不大,俯仰力矩系数增加,基准状态下配平攻角较完全气体减小约2.2°;高度不变,Ma数增加导致阻力系数和俯仰力矩系数增大,配平攻角和完全气体的差值由1.6°增加到2.6°,表明Ma数变大时真实气体效应引起的气动力变化增强;Ma数不变,高度增加略微减弱波后化学反应,对进入器气动力特性基本没有影响.     

高升阻比模型天平校准安装角误差控制要求

文章针对高升阻比类模型气动力测量的要求,对天平校准安装角误差影响进行了初步分析,天平的单元校准中,主要有两个安装角对天平校准结果产生影响,这两个安装角分别为攻角和滚转角,研究结果表明:天平的不同分量和不同校准系数对安装角误差的要求是不尽相同的,力分量以及滚转力矩校准,安装角误差可以允许在度水平上;俯仰力矩和偏航力矩校准攻角误差只能在分量级上;法向力对轴向力干扰系数校准的攻角误差,以及法向力对侧向力干扰系数校准的滚转角误差均只能允许在十分之几分或百分之几分的水平上.单纯从校准来看,法向力对轴向力的干扰系数要求攻角误差控制,以及法向力对侧向力干扰系数要求的滚转角误差控制,均非常困难;结合风洞实验测量中高升阻比模型的载荷匹配情况,这个误差控制可以适当放宽,攻角误差可以放宽到分量级上,滚转角误差仍为十分之几分量级上,天平校准时采用常规的角度测量仪器进行测量和调整均非常困难,只有配置高精度的角度测量仪器,才能满足高升阻比模型气动力测量对天平校准角度误差控制的要求.      

光学炮塔气动载荷的非稳态特性

采用耦合J-B模型的IDDES模型与双时间步LU-SGS方法开展炮塔非稳态气动载荷的数值仿真研究。炮塔流动会发生分离,天顶位置的分离角大于90°;当流动绕过炮塔时,形成马蹄涡、脱落涡街等非稳态流场结构,导致气动载荷也具有非稳态特性;炮塔顶点的脉动静压功率谱在1.6~40.0 kHz进入各向同性均匀湍流的惯性子区,基本满足Kolmogrov的-5/3定律;气动力以阻力为主,横向力的脉动幅值大,气动力矩则以俯仰力矩为主,滚转力矩的脉动幅值大,偏航力矩可以忽略不计;气动力和力矩的功率谱主要集中在1 kHz以下,存在多个尖峰频率,主频约为230 Hz (斯特劳哈尔数为0.15)。在ATP系统设计之初,需要考虑光学炮塔所受气动载荷的非稳态特性,并规避尖峰频率尤其是主频的谐振破坏问题。     

低雷诺数下周期性尾迹／层流分离泡相互作用的大涡模拟

本文采用大涡模拟(LES)方法,对低雷诺数条件下周期性尾迹/层流分离泡的相互作用进行了数值模拟.计算域入口尾迹采用独立计算的平面尾迹流给出.对周期性尾迹作用下的层流分离泡进行了统计特性及瞬态流场分析,并与相同条件下的无尾迹流动进行比较.计算结果表明:在尾迹作用下,时均层流分离泡长度明显缩短,分离泡变小;相位平均的分离点/再附点随时间不断变化;从瞬态结果容易看出,尾迹诱导的流向涡结构是导致分离泡提前转捩的主要原因.     

弯掠动叶对跨声压气机非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况采用弯掠动叶前、后的非定常流场进行了数值模拟,深入分析了动叶弯掠对压气机叶片非定常气动负荷的影响.结果表明t动叶弯掠后,动、静叶的气动力和气动力矩时均值由于叶片负荷大小及分布的不同变化而产生不同程度的改变;由于动叶对下游静叶的尾迹和二次流干扰远强于动叶所受到的下游静叶的势流干扰,静叶的气动负荷发生较大波动;弯掠动叶减轻了端壁损失并且减弱了顶部泄漏涡强度和根部角区分离,从而减弱了对下游静叶的非定常干扰,这使得静叶各气动参数的波动幅值显著降低.     

NREL PhaseⅥ叶片气动性能数值分析

本文采用CFD软件包FINE~(TM)/Turbo,以两叶片NREL Phase Ⅵ风力机的风轮为对象,进行风轮三维绕流的定常黏性数值分析研究.详细对比了计算结果与实验数据,包括功率、叶片展向五个截面压力系数分布及沿展向载荷系数分布,并分析了三维黏性流场流动细节.结果显示在大部分风速条件下数值模拟可以很好地预估风力机气动性能,在所有计算风速条件下均能够较好地模拟叶片表面的压力分布和展向载荷分布.在失速条件下对根部大分离区的模拟有偏差.     

DES模型在压气机亚音转子中的应用探讨

本文运用分离涡模拟(DES)方法研究了不同工况下压气机亚音转子的流动情况,分析了其时均与瞬时流场中顶部间隙泄漏流动和根部角区的流动分离.通过与S-A模型计算结果的对比表明,DES模型在模拟顶部泄漏流动及二次泄漏、泄漏流在转子下游与尾迹的干涉时能够捕捉到更强的旋涡结构,在模拟转子根部角区的分离时也能获得更为丰富的流动现象.对不同工况的DES计算表明负荷的上升会使泄漏涡形成的位置向上游移动,从而导致并加剧二次流动,并对叶栅下游泄漏涡与尾迹的干涉产生影响.对设计工况下瞬时流场的分析表明,泄漏涡在叶栅下游体现出周期性的强弱变化,近叶根分离区也体现出明显的非定常性.     

有大分离的压气机高压级静叶分离涡模拟研究

将分离涡模拟方法应用于高雷诺数压气机静叶有大分离的复杂流动计算中,研究该方法对分离的模拟能力.采用约280万网格,SA计算仅能得到定常结果.DES计算在叶片中部小分离区域,所得到的非定常波动较弱,尾迹掺混略慢于SA,结果整体上与SA类似.在叶片端壁附近有大分离的区域,DES结果捕捉到了明显的非定常现象与压力波动,计算表明吸力面涡脱落会加强掺混,而端壁分离则会加强尾迹.另外,DES计算比SA更详细地描述了涡结构.这表明DES有比SA更好的模拟大分离的能力.计算结果也加深了对静叶角涡与尾迹发展的认识.     

S型叶尖小翼对风轮近尾迹声辐射影响的实验研究

采用5因素5水平的正交实验方法,找到在不同尖速比下均具有较好功率放大效果的S型叶尖小翼结构,对其影响近尾迹流动与声辐射的特征进行了测试。发现该小翼可以打散从风轮叶尖脱落的叶尖涡结构,在测试方位面内形成多个涡量集中区域,而且使叶尖涡内高涡量区域减小,降低叶尖涡的强度。同时,该小翼还可以使叶尖附近的压力脉动衰减,高压力脉动区域缩小,降低声辐射的强度,有效降低近尾迹中的声压级,靠近风轮附近测点的最大声压级降幅超过10dB,在1倍风轮直径下游位置的声压级降幅为2~7 dB.对S型叶尖小翼影响近尾迹流动和声辐射的研究,为提高风力机性能和降噪途径的探索积累了经验.     

圆锥标模高超声速俯仰自由振动试验与分析

为解决自由振动式动导数试验技术在大尺度高超声速风洞中,高气动载荷环境与低频率模拟要求之间的突出矛盾,进一步提高高超声速飞行器较低气动阻尼的测量精度,发展了基于组合式动导数天平的Ф 1 m量级高超声速风洞自由振动试验技术.设计组合式动导数天平,轴承组件承载模型轴向和法向气动力,弹性应变梁提供系统恢复力矩,并可根据减缩频率的要求调整系统自由振动频率,有效提高了天平承载能力,拓展了试验频率模拟范围.在中国空气动力研究与发展中心Ф 1 m高超声速风洞,利用本系统进行了10°半锥角不同钝度圆锥标模俯仰动导数校测试验,所测俯仰动导数与文献结果最大相对误差在6%以内,验证了试验系统和测试结果具有较好的稳定性与重复性.      

低速轴流涡轮内部流动的大涡模拟

在低进口雷诺数下,低速轴流涡轮内部可能存在复杂的边界层转捩和分离流动。准确模拟边界层转捩和流动分离对低速轴流涡轮的气动设计具有重要意义。本文以某单级低速轴流涡轮为研究对象,采用大涡模拟方法对其在进口雷诺数为20000情况下的内部流动进行了数值模拟研究,并与前期采用全层流模型、S-A模型、Abu-GhannamShaw(AGS)转捩模型的模拟结果进行了对比,对比分析发现,大涡模拟结果与实验结果吻合更好,可以准确模拟该涡轮叶片吸力面的流动分离和叶片通道内的二次流动。由大涡模拟结果可以得出,静叶尾迹和分离使尾迹区的流体流动速度降低,但尾迹对流动角的影响较小。动叶入口低速微团在做周向运动的同时沿径向运动;高速微团主要沿周向运动。静叶叶片表面的分离流存在较大的由叶顶向叶根的径向的运动;动叶吸力面叶顶处也存在较大的分离流动.     

超高速高空低动压柔性罩体脱落天地相关性研究

柔性罩体包裹于飞行器外表面,在飞行中段起到保护作用.再入过程中在气动力/热共同作用下,从飞行器表面拉开、脱落,脱落过程产生的附加干扰力/力矩,对飞行器再入姿态产生影响,造成惯性落点偏差.采用地面风洞模拟超高速高空低动压环境,考核不同再入动压条件下,罩体连接绳在气动力作用下的脱开过程,以及脱落过程对飞行器产生的干扰力/力矩.根据动态相似准则,将地面试验条件下罩体模型的脱落历程推导到飞行条件,建立刚体动力学仿真模型计算落点,与无干扰模型的理论落点对比,采用概率统计的方法分析罩体脱落引起的飞行器落点偏差,为罩体连接形式的优化设计提供支撑.      

高压透平导叶尾迹涡的发展与机理分析

尾迹涡是透平内部主要的非定常来源和重要的损失来源之一,精确模拟复杂分离湍流流动是当代CFD面临的一个挑战。本文先对透平尾迹涡研究进行了综述,然后采用高精度的DDES方法对VKI LS89进行了模拟,利用其精细的数值纹影图对尾迹涡的发展尤其是其尺度特性进行了分析并提出了物理解释。同时,对尾迹涡和激波、压力波的相互作用进行了分析。研究表明,叶片附近吸力面侧尾迹涡对主流的堵塞作用以及涡对中两个涡的相互作用对尾迹涡尺度特征起决定作用。激波和压力波对尾迹涡存在扰动和耗散,增加了尾迹涡的不稳定性。     

基于SBES方法的压气机叶片动态载荷研究

针对RANS湍流模型对流场中分离涡的模拟精度不足,导致无法准确计算出分离涡引起的叶片动态载荷问题,本文采用混合RANS-LES湍流模型中的SBES方法,对带进口导叶的NASA Stage67压气机进行了流固耦合数值模拟,研究上游叶片尾迹脱落涡、叶尖泄漏涡引起的压气机叶片动态载荷及气弹响应特征,并将SBES方法和SST湍流模型的计算结果进行了对比分析。结果表明,SBES方法相比SST湍流模型能更准确地模拟出叶片尾迹脱落涡、叶尖泄漏涡的详细结构,计算的叶片表面动态载荷波动特征更加复杂,频谱中频率成分更加丰富。两种湍流模型计算的导叶尾迹扫掠引起的转子叶片高频气弹响应幅值相近,而在计算流场中大尺度分离涡引起的叶片低频气弹响应幅值上存在很大差异。