风力机翼型动态失速等离子体流动控制数值研究

针对动态失速引起的风力机翼型气动性能恶化的问题,本文基于动网格和滑移网格技术, 开展了大涡模拟数值计算研究,探索了非定常脉冲等离子体的动态流动控制机理. 结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速, 改善平均和瞬态气动力,减小力矩负峰值和迟滞环面积. 压力分布在等离子体施加范围内出现了负压"凸起",上翼面吸力峰值明显增大.脉冲频率和占空比这两个非定常控制参数对流动控制影响显著,无因次脉冲频率为1.5时等离子体控制效果较好,占空比为0.8时即可接近连续工作模式下的气动收益. 翼型深失速状态,等离子体促使流动分离位置明显向后缘移动, 抵抗了大尺度动态失速涡的发生,分离涡结构破碎耗散、重新附着, 涡流影响范围减小; 浅失速状态,等离子体激励具有较强的剪切层操纵能力, 诱导了翼型边界层提前转捩,促进了与主流的动量掺混. 等离子体气动激励诱导出前缘附近贴体翼面"涡簇",起到了虚拟气动外形的作用.不同尺度、频域的动态涡结构与等离子体气动激励的非线性、强耦合作用导致了气动力/力矩的谐波振荡.      

风力机叶片翼型动态试验技术研究

风力机叶片动态振荡过程往往伴随着俯仰和横摆同时进行, 以前对许多动态问题不清楚的阶段, 工程上不惜以增加叶片重量为代价而采用偏安全的设计, 通常忽略横摆振荡的影响; 大型风力机设计对获取翼型更加全面、准确的动态载荷提出了更高要求, 研究横摆振荡对翼型动态气动特性的影响规律具有重要意义. 本文首次开展翼型横摆振荡动态风洞试验研究, 采用“电子凸轮”技术代替机械凸轮实现了振荡频率和振荡角度的无级变化, 基于设计的电子外触发装置实现了对动态流场的实时测量, 实现了风洞来流、模型角位移和动态压力数据的同步采集, 分别开展了翼型静态测压、俯仰/横摆动态测压、粒子图像测速和荧光丝线等试验研究, 试验结果准度较高、规律合理; 分析了动态试验洞壁干扰影响机制. 研究表明, 横摆振荡翼型的气动曲线也存在明显迟滞效应; 随着振荡频率升高, 翼型俯仰和横摆振荡下的气动迟滞性均增强; 翼型俯仰振荡正行程的动态失速涡破裂有所延迟; 洞壁与模型端部交界处的强三维效应对翼型压力分布影响较大; 建立的横摆振荡试验技术可为风力机动态掠效应的研究提供技术支撑.      

钝后缘风力机翼型的环量控制研究

钝后缘风力机翼型具有结构强度高、对表面污染不敏感等优点,但其较大的阻力系数使得翼型的整体气动特性不够理想. 利用环量控制方法对钝后缘风力机翼型进行了流动控制,以改善钝后缘风力机翼型的气动特性,减弱尾迹区脱体涡强度. 通过对钝后缘风力机翼型环量控制方法进行相关的数值模拟,对比研究了环量控制方法的增升减阻效果, 研究了环量控制下翼型升阻力特性随射流动量系数的变化规律,并对不同射流动量系数下环量控制方法的气动品质因子和控制效率进行了分析. 研究结果表明:环量控制方法能够大幅提升钝后缘风力机翼型的升力系数,同时有效地降低翼型的阻力系数; 翼型的升力系数随射流动量系数的增大而增大,表现出很明显的分离控制阶段和超环量控制阶段的变化规律; 射流能耗的功率系数随射流动量系数的增大而增大,且增长速率逐渐增大;实施环量控制方法后叶片的输出功率同样随射流动量系数增大而增大,但增长速率逐渐降低. 总体来说,环量控制方法可以有效地改善钝后缘风力机翼型的气动特性以及功率输出特性,在大型风力机流动控制中具有很好的应用前景.      

合成射流对失速状态下翼型大分离流动控制的试验研究

为研究低速状态合成射流在抑制翼型气流分离和推迟失速方面的控制机理, 开展了NACA0021 翼型失速特性射流控制的风洞试验研究. 通过系统性的模型测力、翼型瞬态流场粒子图像测速和边界层速度测定的对比试验, 深入探索了合成射流各参数对翼型失速特性控制效果的影响规律. 试验结果表明射流偏角在翼型升力和失速迎角控制方面的效果对射流动量系数较为敏感: 当动量系数较大时, 近切向射流的控制效果更好. 射流动量系数为0.033 时, 偏角30°的射流使得翼型升力系数峰值提高23.56%, 失速迎角增大5°; 而动量系数较小时, 偏角较大的射流能够获得最佳控制效果. 射流动量系数为0.0026 时, 法向射流对翼型最大升力系数控制效果最好(提高9.2%).      

低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制

针对低雷诺数翼型气动性能差的特点, 通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励控制的方法, 提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构. 采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值模拟.同时将介质阻挡放电激励对流动的作用以彻体力源项的形式加入Navier-Stokes方程,通过数值模拟探究稳态DBD等离子体激励对俯仰振荡NACA0012翼型气动特性和流场特性的影响.为了进行流动控制, 分别在上下表面的前缘和后缘处安装DBD等离子体激励器,并提出四种激励器的开环控制策略,通过对比研究了这些控制策略在不同雷诺数、不同减缩频率以及激励位置下的控制效果.通过流场结构和动态压强分析了等离子体进行流场控制的机理. 结果表明,前缘DBD控制中控制策略B(负攻角时开启上表面激励器,正攻角时开启下表面激励器)效果最好,后缘DBD控制中控制策略C(逆时针旋转时开启上表面激励器,顺时针旋转时开启下表面激励器)效果最好,前缘DBD控制效果会随着减缩频率的增大而下降, 同时会导致阻力增大.而后缘DBD控制可以减小压差阻力, 优于前缘DBD控制,对于计算的所有减缩频率(5.01~11.82)都有较好的增升减阻效果.在不同雷诺数下, DBD控制的增升效果较为稳定, 而减阻效果随着雷诺数的降低而变差,这是由流体黏性效应增强导致的.      

等速上仰翼型尾部流动观察及动态失速机理探讨

在尾缘处置氢气泡铂丝,观察了上仰翼型自尾缘流入尾迹的涡层。基于尾涡层及(以往)上翼面分离涡的观察,用涡动力学理论,探讨了动态失速的机理,并解释了新的失速现象。     

等速上仰翼型分离流动结构的研究

本文通过在翼型上游和翼表面边界层内放置产生氢气泡的铂丝的方法,清楚地显示了上仰翼型分离剪切层的结构。揭示了在不同的翼型转动角速度范围内,存在三种分离流结构。研究了失速涡,剪切涡及起动涡随时间的演变,它们之间的相互作用和转动角速度等参数的影响,分离剪切层的流动显示结果,结合翼型上气动力与流场中涡量矩的关系的理论,定性地解释了上仰翼型产生非定常高升力的原因。     

翼型与风洞侧壁交接角区分离流动研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模型试验时风洞侧壁和翼型模型结合部拐角区黏型分离流动进行模拟,并将简单代数湍流模型扩展用于机翼/风洞侧壁拐角区流动.计算格式在空间上采用中心有限体积离散,在时间上采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分.结果显示,在翼型模型风洞试验时,模型/侧壁拐角区、模型表面、侧壁表面和模型后形成复杂的黏性分离流动和二次分离,对实验结果产生很大的影响.     

等离子体激励器控制圆柱绕流的实验研究

为了发展新型移动附面层控制技术,提升流动控制效率,采用粒子图像测速技术,开展了基于对称布局等离子体气动激励的圆柱绕流控制研究,获得了静止空气下,对称布局激励器诱导流场的演化过程,评估了来流条件下等离子体控制效果,通过等离子体诱导涡实现了虚拟移动附面层控制,分析了诱导涡随时间演化的过程,揭示了圆柱绕流等离子体控制机理.结果表明:(1)在静止空气下,对称布局激励器在刚启动瞬间,会在暴露电极两侧诱导产生一对旋转方向相反的启动涡;随着时间的推移,启动涡逐渐向远离壁面的方向运动;随后,激励器在暴露电极两侧产生了两股速度近似相等,方向相反的诱导射流,诱导射流在柯恩达效应的影响下,朝壁面方向发展.(2)当激励电压峰峰值为19.6 kV,激励频率3kHz时,施加等离子体气动激励后,圆柱脱落涡得到了较好抑制,圆柱阻力系数减小了21.8％;(3)在来流作用下,对称布局激励器在靠近来流一侧,诱导产生了较为稳定的涡结构.诱导涡通过旋转、运动,促进了壁面附近低能气流与主流之间的掺混,抑制了圆柱绕流流场分离,实现了"虚拟移动附面层控制"效果.与传统移动附面层控制技术相比,基于等离子体气动激励的新型移动附面层控制技术不需要复杂、笨重的机构,不会带来额外的阻力,具有潜在的应用前景.      

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON LIFT INCREMENT OF A PLASMA CIRCULATION CONTROL AIRFOIL

利用等离子体激励器发展了新型的环量增升技术,并对二维NACA0012翼型绕流实施控制。由于NACA0012翼型为尖后缘构型,环量增升装置由2个非对称型介质阻挡放电等离子体激励器构成。一个等离子体激励器贴附于翼型吸力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流沿来流方向指向下游;另一个等离子体激励器贴附于翼型压力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流与来流方向相反指向上游。在风洞中通过时间解析二维PIV系统对翼型绕流流场进行了测量,基于翼型弦长的雷诺数Re=20 000。结果表明在等离子体激励器的控制下,翼型压力面靠近后缘处可以形成一个定常回流区,从而起到虚拟气动外形的作用,因此翼型吸力面的流场得到加速,压力面的流场得到减速,使得翼型压力面的吸力以及压力面的压力都得到增加,进而增加了翼型的环量。风洞天平测力实验进一步验证了该环量增升技术的有效性。在整个攻角范围内,施加控制的翼型的升力系数相比没有控制的工况有明显的提高。     

PIV EXPERIMENTS ON FLOWFIELD CHARACTERISTICS OF ROTOR AIRFOIL DYNAMIC STALL AND MODIFICATIONS OF L-B MODEL

为测量翼型动态失速的非定常涡流场特性,采用3D-PIV 技术,对典型直升机旋翼翼型SC1095 的动态失速流场特性进行测量,发现涡在不同位置处的输运速度不同：位于翼型表面的涡的无量纲速度为0.39,位于尾迹区的涡的无量纲速度为0.55. 利用前缘涡输运速度变化这一特征,改进了经典的翼型动态失速利什曼-贝多斯（Leishman-Beddoes,L-B）模型,将该模型中固定的涡时间常数修正为可以随涡位置变化的时变函数,修正后的模型计算得到翼型法向力峰值相对原L-B 模型提升5%,力矩系数负峰值相对原L-B 模型提升13%,与试验值相比更加吻合,表明修正后的翼型动态失速模型更好地体现了翼型前缘涡的物理特征.     

横摆振荡翼型动态气动掠效应试验研究

大型风力机设计对获取翼型更加全面、准确的动态载荷提出更高要求, 研究翼型横摆振荡动态气动特性具有重要意义. 借助"电子凸轮"技术和动态数据同步采集手段, 针对翼型动态“掠效应”首次开展了横摆振荡风洞试验研究, 研究表明: 横摆振荡翼型的气动曲线存在明显迟滞效应, 吸力面压力周期性波动是主要诱因, 且随着振荡频率、初始迎角和振幅的增大, 气动迟滞特性均增强; 升力和压差阻力随横摆角变化的迟滞回线呈"W"形, 俯仰力矩迟滞回线呈"M"形, 升力差量迟滞回线呈"$\infty$"形; 负行程下翼型气动力相对于正行程下的更高, 且负行程下翼型气动力随振荡频率的增大而略有增大, 正行程下则明显减小; 升力系数功率谱密度分布在振荡频率倍频处的能量集中的幅值随着振荡频率增大有增大趋势; 吸力面1.2%和40%弦长处压力的滞回特性较强, 是由于翼面剪切层涡和动态分离涡周期性发展、运动、破裂和重建; 振幅为$10^{\circ}$时, 升力迟滞曲线呈"$^{\wedge}$"形, 振幅为$30^{\circ}$ 时, 升力迟滞曲线呈"$^{\wedge\wedge\wedge}$"形.      

风速不确定性对风力机气动力影响量化研究

风力机气动力学一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是基于确定性工况条件,但因风力机常年工作在自然来流复杂环境,风速随机波动致使风电系统呈现不确定性,对电网稳定性带来巨大挑战,因此进行不确定风速条件下风力机气动力学研究具有重要意义.为揭示不确定性对风力机流场影响机理并明确其对气动力的影响程度,本文提出一种风力机不确定空气动力学分析方法,基于修正叶素动量理论和非嵌入式概率配置点法,建立水平轴风力机不确定性空气动力学响应模型;以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象,基于该模型提取风力机输出随机响应信息,量化不确定风速对风力机风轮功率、推力、叶片挥舞弯矩和摆振弯矩的影响程度;通过分析流动诱导因子不确定性在叶片展长方向上的分布规律,揭示不确定因素在风力机本体上的传播机制,为风电系统设计及应用提供理论依据和重要参考.结果表明,风速波动对风力机功率和气动力影响显著,高斯风速标准差由0.05倍增大至0.15倍均值,功率和推力最大波动幅度分别由13.44%和8.00%增大至35.11%和22.02%,叶片挥舞弯矩和摆振弯矩最大波动幅度分别由7.20%和12.84%增大至1...     

复杂大气入流下海上风机力学特性研究

随着风能技术的不断进步, 风机叶片逐渐向大型化发展, 这使得真实复杂大气入流对风机运行性能的影响愈发显著. 为研究真实复杂大气入流下海上风机的力学特性响应, 利用基于大涡模拟的域前模拟方法生成复杂大气入流, 并结合致动线模型模拟风机叶片, 对中性复杂大气入流下海上固定式风机进行数值模拟, 重点分析风机的气动性能及转子和叶片根部的力学特性, 并与均匀入流计算工况进行对比. 计算结果表明, 中性复杂大气入流中的大尺度低速气流团使得风机气动功率输出值在较长一段时间处于较低水平, 此外, 中性复杂大气入流的高湍流强度特征使得风机气动功率的变化幅值和标准差较均匀入流工况大幅增加; 风机轴向推力的标准差值增加到均匀入流的53倍, 中性复杂大气入流的来流流场扰动引起偏航力矩的最大值、均方根和标准差分别增加到均匀入流的10、4.4和4.3倍; 速度垂向分布的不均匀性以及轮毂高度附近的大尺度低速羽流结构导致摆振剪力和弯矩的标准差响应值分别为均匀入流的2倍和4.6倍.      

介质阻挡放电等离子体流动控制研究进展

介质阻挡放电(DBD) 等离子体流动控制技术适用于低速工况, 具有结构简单、动态响应快等优点, 受到了国内外学术界及工业界的高度重视. 近20 年来, 很多学者对DBD 等离子体流动控制进行了研究, 在机 理和应用上都取得了很多有意义的结论. 本文首先分析了介质阻挡放电及其气动激励基本原理; 然后分别对近 年来DBD 等离子体流动控制机理和应用研究进展进行了综述, 并总结提出3 个主要气动激励机理; 最后对该 领域今后的工作提出了几点建议.      

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在风力机风轮空气动力学计算中出现一叶片径向环量分布积分方程的求解问题. 方程中的 被积函数包含待求环量的导数, 是个积分-微分方程. 给出该方程的合理解法，以获取较准确的风轮气动特性. 文中先简述了该积分-微分方程的来源. 继而给出其两种数值解法及被积函数奇异性的处理方 法. 最后将所给方法的气动计算结果与其它方法的结果作了比较，以说明所给方法的有效性. 同时还指出其不足并给出改进的预想方法.     

风力机气动特性的浸入边界法模拟1)

风力发电机的空气动力学性能是决定风力机安全与效率的最重要因素之一。但由于影响风力机气动性能的参数众多,更加高效精确地模拟风力机气动特性一直是风力机的重要发展方向。本文提出了基于浸入边界法的风力机建模,网格离散,以及数值模拟的统一性框架。利用同伦变形来生成光滑的叶片模型,并且使用仿射变换来处理叶片的渐缩与扭转问题。首先,针对二维翼型的升阻力,检验了算法的数值精度。表明此方法对于阻力的模拟具有非常严格的一阶精度,进而提出采用理查森外推法来精确高效修正升阻力模拟结果。同时,模拟研究了拱曲度以及厚度对二维翼型升阻力的影响。随后,模拟研究了单风力机(包含塔架)在不同尖速比下的功率系数,并对塔架与叶片间的相互气动作用进行了初步分析。最后,模拟研究了双风力机在风场中不同前后间隔距离下的气动干涉问题。本文主要意义在于验证建模,离散,与数值模拟的一体化框架的有效可行性,进而为后续研究(给定约束下风力机自动优化选型)提供坚实基础。     

NUMERICAL SIMULATION STUDY ON DYNAMIC RESPONSE UNDER RUDDER CONTROL

针对超声速机动飞行器舵面操纵动态响应问题,开展了相应的算法研究,建立了适用于模拟舵面与弹体相对运动及弹体气动力动态响应的非定常计算方法和局部动态网格变形技术. 以方形弹超声速绕流为例,验证了所提出的定常和非定常计算方法. 对方形弹舵面操纵的3种基本过程(脉冲、阶跃和谐波) 进行了数值模拟,获得了舵面操纵下导弹的俯仰运动对操纵的响应过程. 研究结果表明,快速的舵面操纵过程,甚至会导致导弹的俯仰运动失稳.     

DYNAMIC CHARACTERISTICS OF LAG VIBRATION OF A WIND TURBINE BLADE

Lagwise dynamic characteristics of a wind turbine blade subjected to unsteady aero- dynamic loads are studied in this paper. The partial differential equations governing the coupled longitudinal-transverse vibration of the blade with large bending deflection are obtained by ap- plying Hamilton＇s principle. The modal problem of the coupled vibration is handled by using the method of numerical integration of Green＇s function. Influences of the rotating speed, the pitch angle, the setting angle, and the aerodynamic loads on natural frequencies are discussed. Results show that： （I） Lagwise natural frequencies ascend with the increase of rotating speed; effects of the rotating speed on low-frequencies are dramatic while these effects on high-frequencies become less. （2） Influences of the pitch angle on natural frequencies are little; in the range of the normal rotating speed, the first frequency ascends with the increase of the absolute value of the pitch angle, while it is contrary to the second and third frequencies. （3） Effects of the setting angle on natural frequencies depend on the rotating speed; influences are not significant at low speed, while they are dramatic on the first frequency at high speed. （4） Effects of the aerodynamic loads on natural frequencies are very little; frequencies derived from the model considering aerodynamic loads are smaller than those from the model neglecting aerodynamic loads; relative errors of the results corresponding to two models ascend with the increase of the absolute value of the setting angle.     

电磁极宽度对圆柱绕流场影响的数值分析

在雷诺数Re=200的情况,利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,在各种电磁力作用参数和电磁极宽度的组合下,对表面覆盖电磁极圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果表明,当电磁极宽度较小时,圆柱体绕流场的分离点越容易接近后驻点,而电磁力对总阻力的影响并不明显,但对压差和摩擦阻力均有明显影响.当电磁极宽度较大时,圆柱体尾部区域越容易产生射流现象,而且总阻力随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而减小.在电磁力尚不足以完全抑制周期性涡脱落的情况下,升力幅值随电磁力作用参数增大而减小,但随电磁极宽度则先减小后略有增加,升力脉动频率则均随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而增加.研究表明,电磁力可以有效地改善圆柱体绕流场结构,达到减小圆柱体阻力并抑制其脉动升力之目的,因此是圆柱型结构的一种有效流动控制手段.