S809风力机专用翼型低雷诺数气动特性实验研究

采用表面压力测量系统,在小型回流式低速风洞中开展了S809风力机专用翼型的低雷诺数(Re5×10~5)气动特性实验研究,获得了自由和固定转捩条件下不同雷诺数的压差升、阻力和表面压力分布特性。将为小型风力机叶片设计及相关研究提供数据支撑,并填补了该翼型低雷诺数气动特性数据的空白。     

风力机专用翼型表面微沟槽减阻特性研究

采用高升阻比翼型是提高风力机的风能利用率的重要途径,表面微结构在平板及飞行器上具有较好的减阻应用,在风力机翼型上的减阻研究相对较少。本文以弦长为600 mm的Ris?-A1-21风力机专用翼型为研究对象,在吸力面0.53弦长处布置6种不同的横向V型沟槽,基于ANSYS Fluent商用CFD软件,采用结构化网格和Transition SST紊流模型对不同的表面微结构进行数值计算,结果表明V型沟槽总长为4～7.5 mm,无量纲高度h~+和宽度s~+为10～18.5时,可以获得较好的减阻增升效果,在此范围内沟槽数量对翼型的减阻增升的变化规律影响很小,最大升阻比增率可达22.903%。当沟槽总长达到10 mm时,翼型的增升率减小,但其减阻率和升阻比增率优于沟槽长度小的方案。沟槽改变了翼型吸力面的压力分布,通过有/无沟槽的法向速度分析表明,微沟槽使得翼型表面边界层厚度减薄,表面速度梯度增大,从而使翼型的黏性阻力增加,因此V型沟槽的减阻效果主要由压差阻力的减小所引起的。     

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。     

水平轴风力机专用翼型族设计

本文采用正问题方法设计了适用于我国风况的风力机专用翼型族CAS-W1-XXX系列。包括最大相对厚度为15%～60%的11个不同厚度,适用于叶片根部到叶尖所有部分,设计雷诺数为3000000。设计中选择NUMECA软件中的AUTOBLADE模块进行翼型的几何造型,使用XFOIL进行翼型的气动持性和几何持性分析。通过XFOIL对设计结果进行分析得出CAS-W1-XXX翼型族具有良好的气动持性,前缘粗糙不敏感性以及良好的几何兼容性。     

涡流发生器对风力机叶片流动控制的数值研究

基于γ-Reθt转捩模型,对旋转工况下加装涡流发生器NREL Phase Ⅵ风力机进行CFD数值模拟.本研究在叶片吸力面加装30对涡流发生器,分析来流风速7、10、13、15、20、25 m/s六个工况下,叶片表面绕流、风轮转矩和叶片表面压力系数及表面流线的气动仿真结果,并与NREL试验数据、光滑叶片模拟结果比较分析....     

水平轴风力机专用翼型性能评估方法

本文提出了风力机翼型完整的性能参数体系和相应的评估方法,并以此评估了CAS-W1翼型与DU翼型的性能特征。对翼型性能的评估侧重于失速特性、非设计点特性和翼型气动性能的稳定性。评估结果表明,相对于DU翼型,CAS-W1翼型系列设计点性能和非设计点性能较好,但是失速特性和性能稳定性需要优化。     

翼型涡流发生器抑垢性能的实验研究

为了获得翼型涡流发生器的抑垢特性,采用离线称重法,研究了在不同间距、不同攻角下三角翼、矩形翼、梯形翼三种翼型涡流发生器对CaCO₃污垢结垢量的变化。结果表明:翼型涡流发生器具有抑垢性,单位面积结垢量要少于光片;三种翼型中,具有较小迎流截面积的三角翼试片结垢量最少;攻角对抑垢性有影响,攻角30°布置翼的结垢域要少于攻角90°的翼;翼的排列间距对结垢量也有影响。     

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。     

离体射流的位置对翼型气动特性的影响

为了改善风力机叶片流动分离现象,本文在雷诺数为1×106、来流攻角21°时研究了离体射流微小圆柱的分布位置对NACA0018翼型气动性能的影响.首先分别在翼型前缘前和上表面附近,研究离体射流微小圆柱的射流动量对翼型气动性能的影响,发现两种位置下翼型的气动性能都有所改善,其中上表面附近控制时效果更好;接着研究控制装置在上...     

水平轴风力机动态来流条件下翼型气动特性的数值分析

动态来流条件下,水平轴风力机的功率输出可增加30%～50%.本文通过量纲分析,确定影响水平轴风力机翼型动态来流条件下气动特性的主要参数为特征频率fr和雷诺数Re.运用CFD方法对NREL S825翼型在不同fr数和Re数条件下,进行了气动特性的对比.结果表明在动态来流条件下,低Re数对翼型特性影响较小,而fr数是影响翼型性能的关键.     

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.     

风切变对风力机气动载荷的影响

本文依据指数律的风速分布曲线,采用CFD方法对切变入流情况下风力机的三维非定常气动特性进行了模拟。研究发现风切变指数的大小对叶片整体载荷有着较大的影响,当风切变指数值由0.15增至0.25,载荷波动振幅增大了约60%。并且,气动载荷的波动曲线相对叶片方位角存在一定的相位滞后,在靠近叶根位置这种非定常特性尤为明显。     

水平轴风力机专用翼型族试验分析及优化设计

对水平轴风力机专用翼型族—CAS-W1-XXX薄翼型族试验结果进行了分析,并将其与国外同等厚度翼型进行对比。试验结果表明,与国外同等厚度翼型相比CAS-W1-XXX薄翼型具有良好的前缘粗糙不敏感性、高的最大升力系数、设计升力系数和良好的失速特性。为进一步提高翼型的气动特性,在试验结果的基础上对CAS-W1-XXX薄翼型族进行再次优化。根据XFOIL计算结果,优化后翼型的最大升阻比得到提高,并且与DU翼型相比具有良好的气动特性。同时对CAS-W1-XXX厚翼型中出现的小攻角失速现象进行了优化改进。     

涡流发生器污垢特性实验台的设计

为了研究涡流发生器的污垢特性设计了一个能够在线监测温度、流量以及压差进而可以直接得到污垢热阻的实验台。通过验证实验、准确性分析与误差分析,验证了实验台设计精度在允许的误差范围内。示例实验结果表明实验台具有研究涡流发生器的污垢特性、压力特性以及换热特性的功能。     

涡发生器结构对翼型绕流场的影响

为了研究涡发生器在风力机叶片上的应用,以进一步提高风力机气动效率,本文采用CFD数值模拟方法,分析涡发生器几何形状对其绕流场和翼型边界层特性的影响.涡发生器几何形状为同样高度的矩形、梯形和三角形。翼型为风力机专用翼型DU97-W-300。首先对数值模拟结果与实验值进行了对比,验证了数值方法的可信性。然后详细讨论了各种涡发生器所产生的集中涡涡量、翼型边界层特性、以及绕流场等沿流向的发展演变。总体上看,三角形涡发生器较适合用于风力机翼型的流动控制。     

振荡翼型非定常气动特性数值模拟

本文采用URANS方法对NACA0012翼型在不同振荡方式下的非定常气动特性进行了数值模拟,并与实验和文献中DNS计算结果进行对比,结果显示:URANS方法较好地显示出翼型的俯仰振荡气动特性和近壁面速度随攻角变化规律,但未能模拟出前缘分离泡的生成和发展;对于沉浮振荡翼型,URANS方法能够模拟出尾涡的结构和尾涡间的相互作用。文中还对低频和高频振荡翼型的气动特性进行了分析。     

叶片弯掠对风力机气动性能的影响

叶片形状的变化对叶片的气动性能有着显著的影响,采用合理的叶片形状可以有效地提高叶片的气动性能。本文采用带自由尾迹的升力面法,研究了风力机叶片的弯掠对风力机整体气动性能的影响。预测结果显示采用前后掠的叶片在一定程度上改变风力机的风能利用系数。使用后掠叶片使叶片在中后段部分所受升力小于前掠叶片上对应升力,而在叶片前端所受升力大于前掠叶片上对应升力,同时使用后掠叶片将在一定程度上增加风力机风能利用系数,而使用前掠叶片则减少风力机风能利用系数。采用上弯或下弯形式的叶片同样也会在一定程度上提高风力机的风能利用系数。     

风力机叶片气动噪声的影响参数

随着风力机的大型化发展,风电机组噪声对环境的影响不容忽视,必须对风力机气动噪声进行预测和控制。选取基于NACA、DU翼型的某风力机叶片作为研究对象,采用修正BPM半经验模型计算叶片的气动噪声特性,通过改变翼型族、弦长、机组运行状态、风切变指数、来流风向参数,研究叶片外形几何参数、机组运行工况对叶片气动噪声源的影响。计算结果从多个角度总结出水平轴风力机叶片气动噪声的变化规律,为开发高效低噪风电叶片提供参考。     

基于等离子体环量控制的翼型气动特性

为了研究等离子体环量控制对翼型的影响特性,采用基于唯象学的等离子体气动激励数学模型和二维雷诺平均N-S方程,选取NCCR 1510-7067N环量控制翼型,数值模拟后缘半径对升力和效费比的影响规律,并进行优化。设计最佳后缘半径模型进行低速风洞实验,获得迎角-4~12,速度6,10,15 m/s下的压力分布和升力特性。研究表明:后缘半径过大或过小都不利于Coanda效应的产生,确定最佳后缘半径与弦长的比值为0.048,效费比97.69。低雷诺数下,随着迎角的增加,出现了层流长泡分离和短泡分离,等离子体射流不仅改善了尾部流场,还通过环量增加抑制层流分离,提高了升力。