凹槽对风力机叶片尾缘襟翼性能的影响

本文采用单方程S—A湍流模型计算了尾缘襟翼与主体翼型连接处的凹槽对二维翼型气动特性及流场的影响。选用带有30％弦长固定偏斜20°角度尾缘襟翼的NACA0015翼型作为研究对象,分析了流场的相关特性。数值计算结果表明：凹槽对于带有尾缘襟翼的二维翼型气动特性有一定影响,在负攻角及较小正攻角时,减小翼型升力系数;随着攻角增大...     

叶顶端翼提升主动襟翼叶型气动性能的数值研究

本文在振荡来流条件下,数值模拟叶顶端翼对加装主动Gurney襟翼的垂直轴风力机叶片非定常气动特性的影响。采用NACA0015翼型的直叶片,并在尾缘前6%弦长位置安装主动襟翼。在最大出力工况(折合频率为0.1)下,对比原型叶片,加装主动襟翼叶片的切向力系数提高了4.47%,安装有叶顶端翼的主动襟翼叶片的切向力系数提高21.18%。通过比较叶片端部涡结构分布,发现叶顶端翼不仅阻止了叶片压力面及吸力面的叶梢涡分支在尾缘处汇合,同时也隔断了主动襟翼产生的角涡与叶梢涡的融合,有效的降低了叶片端部损失,提升了风力机的整体性能。     

二维叶片襟翼增升的试验研究

本文在雷诺数为0.24×106，0°－40°攻角范围内测定了带有90°，45°，135°三种不同偏转角的位于压力面后缘的襟翼的NACA632—215叶片的表面压力分布．根据压力分布求得的升力系数和阻力系数（压差）表明，襟翼能在不同程度上起到增升的效果，且当襟翼高度相同时，偏转角为90°时增升效果最佳；当偏转角为90°时，襟翼高度越大，升力系数增加越多．     

基于正交设计的风力机翼型尾缘襟翼参数分析

引入试验中正交设计的思想,通过数值模拟研究了风力机翼型尾缘襟翼不同参数的影响。采用带有转捩模型的SST k-ω湍流模型模拟了基于S809的尾缘襟翼的尺寸、偏斜角度和形状的影响。结果表明:尾缘襟翼尺寸、偏斜角度对于翼型相关气动参数影响较大,在考查参数范围内折中采用10%弦长、偏斜10°的尾缘襟翼综合性能较好;尾缘襟翼形状函数影响相对较小,采用变化较平缓的尾缘襟翼有利于保持流动稳定性。     

钝尾缘翼型非定常气动特性及机理

钝尾缘翼型气动特性受到尾涡脱落的影响,在翼型DU 91-W2-250的基础上对称加厚得到了新钝尾缘翼型DU91-W2-250_6,利用密网格进行了非定常气动特性的数值研究。在各个攻角下钝尾缘翼型气动特性都具有周期性的特点,具体的波动特征如波动幅值及周期等则受脱落涡的大小、脱落位置及尾迹宽度的影响,而升力系数波峰、波谷则分别出现在顺时针涡及逆时针涡脱落的时刻。     

无缝襟翼吹气控制机理和地面效应分析

基于Coanda效应的无缝襟翼吹气控制能大幅度提升机翼升力, 改善大型运输类飞机起降性能, 因此研究起降阶段地面效应对吹气控制的影响十分必要。通过数值模拟方法, 从流场变化的角度分析了无缝襟翼吹气控制机理, 以及有/无襟翼吹气时地面效应对翼型气动性能的影响。襟翼吹气使Coanda表面产生局部低压区, 形成指向Coanda表面的压力梯度, 进而引起射流上方的主流偏转和加速, 使整个翼面近壁区产生顺时针方向的速度增量; 翼面压力面的压力增大, 吸力面的吸力增强, 其中主翼上翼面吸力增强是翼型升力增加的主要来源。无吹气时, 地面效应使翼型上/下翼面附近的流速均降低, 上/下翼面的压力均有所提高, 整体上使翼型升力降低。有地面效应时的襟翼吹气增强了下翼面对来流的阻滞作用, 进一步提高了下翼面的压力; 襟翼吹气使上翼面气流加速, 可抵消地面效应引起的上翼面气流减速, 一定程度上减小了地面效应引起的上翼面吸力损失。      

风力机非对称钝尾缘翼型优化设计方法研究

为了提高风力机钝尾缘翼型优化设计的精确性,提出设计变量计及尾缘厚度及其在中弧线上侧分配比的非对称钝尾缘翼型优化设计方法。采用风力机翼型型线集成理论和B样条曲线,建立钝尾缘翼型型线控制方程组。以翼型的形状函数系数、B样条控制参数以及钝尾缘厚度和其分配比为设计变量,利用粒子群算法耦合XFOIL软件进行钝尾缘翼型优化设计。针对S812翼型优化得到尾缘厚度2.61%c、厚度分配比0:1的钝尾缘改型,采用计算流体动力学方法研究翼型及其改型的气动性能和流场特性。结果表明:优化得到钝尾缘翼型的升力系数和最大升阻比均显著增大;钝尾缘翼型吸力面的气流在流场中发生下洗,改善了翼型表面压力分布,并引起翼型失速延迟,使得翼型的气动性能明显提高。     

不同尾缘改型方式对风力机钝尾缘翼型气动性能的影响

目前风力机钝尾缘翼型改型方式研究不足,据此本文提出三种钝尾缘改型方式并用Xfoil进行了系列计算:(1)改变中弧线两侧的厚度分配比例;(2)改变厚度分布曲线;(3)刚性旋转上下弧线.用第二种方法研究了NREL的$814翼型,此种方法对钝尾缘改型厚的升力系数影响不大,但对阻力系数产生了一些有利影响;其余两种方法研究了NREL的S815翼型,发现改变厚度分配比例可以使工作区发生移动,而刚性旋转上下弧线同样具有提高升力系数的优点.各种增加尾缘厚度的方式都有使工作区偏移的特点.     

大厚度钝尾缘翼型的设计研究

本文研究了MW级水平轴风力机叶片内侧翼型的设计准则,采用混合设计方法得到了四种适用于该部位的大厚度钝尾缘翼型:依据一个5 MW风力机的运行特征和性能需求,在不同的设计雷诺数下,以翼型在运行攻角范围内的升力水平为主要气动目标,以升力随雷诺数变化的稳定性为主要约束。RFOIL预测表明,在15°~30°攻角之间,四种翼型的升力系数大致从1.0以近似线性方式增加到1.7,升力曲线随着雷诺数变化稳定,具有良好的变工况特性。     

随机风况下襟翼闭环载荷控制的数值研究

柔性襟翼在减缓风力机叶片极限与疲劳载荷方面一直备受关注。为研究柔性襟翼在非稳定入流时的减载能力,以二维翼型S809为基础翼型,CFD计算获取的翼型升力为反馈信号,利用ANSYS Fluent 17.0及其用户自定义端口,建立了襟翼闭环载荷控制系统。研究了襟翼在来流随机变化时减缓翼型升力波动的效果,并分析了襟翼最大偏转速度与系统延迟时间对控制效果的影响。结果表明:襟翼控制后的翼型升力波动标准差减小了99%,进一步提高最大偏转速度后,仅在变化较急剧的峰值处略有区别;较大的延迟时间导致升力在波动方式与范围上都有别于无延迟与小延迟,不利于襟翼对载荷波动的减缓。     

减缩频率和平均攻角对俯仰振荡翼型影响分析

本文以NACA0012翼型为研究对象,采用混合网格划分方法和SST κ-ω湍流模型,数值模拟了雷诺数Re=2.7×10~5条件下减缩频率和平均攻角对翼型俯仰振荡气动特性的影响。结果表明:翼型俯仰运动时的平均升力系数均低于静态条件下的升力系数;减缩频率对翼型下行段气动特性影响最为显著,当减缩频率较小时,翼型刚开始下行运动,出现流动分离越显著,这导致平均升力系数与静态条件下升力系数差值变大;平均攻角越大,俯仰运动时的最大升力系数越小;翼型俯仰运动上行段升力系数大,主要是因为前缘流动加速剧烈,增大了上下表面压差。     

超临界翼型的跨音速抖振特性

以二维非定常N-S方程为基本方程,计算跨音速翼型升力系数的时间历程.根据升力系数的脉动量急剧上升的起始点确定抖振起始边界,以超临界机翼DFVLR-R2和传统翼型NACA0012为研究对象,研究了两种翼型的抖振特性,计算结果表明,在超临界翼型的设计马赫数附近,超临界翼型具有良好的抖振特性.     

基于AC-DBD等离子体激励的NACA0012翼型动态失速控制

以NACA0012翼型为研究对象,采用动态测压及PIV测量技术,研究了AC-DBD等离子体激励器对翼型俯仰及耦合运动动态失速的控制作用和机理.研究表明,等离子体激励能够显著推迟失速迎角,抑制失速后的升力系数陡降,提前流动再附和升力系数回升,减小升力及俯仰力矩系数曲线迟滞环面积,改善翼型气动特性.研究了不同运动参数及激励器设置参数对控制效果的影响,结果表明翼型俯仰运动频率及激励器激励频率分别对激励器控制效果影响最大,为后续相关研究提供了数据基础.      

表面粗糙度对翼型气动特性影响的数值模拟

本文采用CFD数值模拟方法结合概率配点法研究了当翼型表面粗糙度存在不确定性变化时,NREL_S825风力机翼型的气动特性与绕流场参数分布。获得了两种特征攻角下翼型气动特性的变化,以及不确定性在绕流场中的传播。研究结果表明,升力系数对粗糙度的不确定性较为敏感。粗糙度不确定性对翼型绕流场的影响主要出现在翼型前缘、尾缘和分离区等速度梯度较大区域,并且吸力面压力系数分布对粗糙度的敏感性明显高于压力面。     

大攻角翼型的锁频现象及气弹稳定性研究

翼型大攻角下涡激振动的锁频问题给飞行安全带来潜在的安全隐患。本文采用非定常雷诺时均N-S方程模拟了翼型在大攻角下的强制扭转振动,对翼型在40°攻角下的锁频振动现象进行研究。基于非定常数值模拟的结果,获得翼型表面振动周期气动功均值判断翼型的气动弹性稳定性。计算结果表明：扭转振动的锁频区间呈“V”形,锁频区间内振动频率较小侧气动功显著增加,涡激振动现象发生,而振幅的增大延迟了上仰过程尾缘涡的脱落,会使得其上表面尾缘附近气动功降低,使振动趋于稳定;相空间重构及递归图可以捕捉到非线性动力学系统锁频及非锁频下的状态差异。     

风力机专用翼型的反设计

本文根据翼型表面压力分布对边界层的影响,分析翼型表面压力分布的特点,以XFOIL计算软件为设计平台,采用其中的混合反设计模块,通过合理改变翼型表面的速度分布来得到气动特性满意的翼型。所设计的翼型主要要求具有高的设计升力系数、高的最大升阻比、良好的前缘粗糙不敏感性及和缓的失速特性。在提高设计升力系数的同时限制最大升力系数,以减小两者的差值,减小叶片的极限载荷。经计算分析,采用反设计优化得到的翼型与DU翼型相比具有很好气动特性。     

路堤倾角变化对高速列车侧风运行气动特性影响

采用计算流体力学方法,探讨路堤倾角变化对高速列车侧风运行气动特性影响.结果表明:随着路堤倾角增大,头车侧向力系数先增加后减小,而中间车侧向力系数则持续减小.尾车上的侧向力系数先是略微减小,当路堤倾角达到47.5°时,侧向力系数随倾角增加而增加.作用在中间车上的负升力随着路堤倾角增加而增加.尾车的升力系数对路堤倾角变化非常敏感,变化幅度较大.路堤倾角变化时高速列车绕流流场变化,从而导致列车受到的气动力发生变化.     

翼型绕流的洛伦兹力控制机理

在翼型上翼面壁面附近流场中形成的流向洛伦兹力,可提升翼型的升力减小阻力,然而制约其推广应用的主要瓶颈是极为低下的控制效率,为提高洛伦兹力的控制效率,需研究其控制机理.以翼型绕流的洛伦兹力控制为例,利用双时间步Roe格式及水槽对其进行数值及实验研究.结果表明:洛伦兹力的控制效果随着来流速度的增加而下降,升力增幅和阻力减幅与来流速度大小呈反比关系,但升力增加和阻力减小的规律不变,都是升力先急剧增加随后缓慢增加,而阻力先急剧减小然后再缓慢增加,基本原因为升力和阻力先受洛伦兹力推力的影响而分别增加和减小,随后洛伦兹力作用增加翼面壁面摩擦力,导致升力减小和阻力增加,流向洛伦兹力还导致翼型壁面压力下降,增加翼型升力和压差阻力;壁面摩擦力导致的升力降幅比壁面压力变化导致的升力增幅小,壁面压力变化起主导作用;洛伦兹力推力对阻力的降幅比压差阻力的增幅大,洛伦兹力推力起主导作用,因此阻力减小.     

环量控制翼型动态失速特性研究

本文用数值求解二维可压非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的方法研究了环量控制翼型的动态失速特性．揭示了环量控制翼型在以不同吹气动量系数、不同频率做俯仰振荡时的动态失速特征．指出吹气动量系数对环量控制翼型动态失速的特性有很大影响,同时,振荡频率的影响与传统翼型相比也有不同．进一步分析了其失速的机理．     

波状前缘对风力机翼型失速性能影响数值分析

为研究仿生波状前缘对翼型失速性能的影响,本文采用S-A湍流模型,对风力机翼型NACA634-021(光滑前缘)以及对应的正弦波状前缘仿生翼型的绕流流场进行了数值模拟。结果表明,光滑翼型在20°攻角附近发生深度失速,升力系数骤然下降;而波状前缘仿生翼型有效改善了失速特性,升力系数变化较平稳,在大攻角下高于光滑翼型。通过流场分析发现光滑翼型失速前后升力系数骤然下降的主要原因在于前缘压力面和吸力面的压差大幅度下降,而仿生翼型改变了前缘的压力分布特性,进而改变了大攻角下的分离特性,促进流向涡对的产生和发展,使得凸峰附近保持附着流动,进而提高升力。