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.     

锯齿尾缘降噪翼型优化设计研究

大量研究工作表明旋转风电叶片的主要气动噪声来自叶尖尾缘区域,一直以来都是严重影响居民生活和叶片气动性能发挥的重要因素之一.为此,针对决定叶片重要气动特性单元——二维翼型,采用有别于传统的仿猫头鹰翅膀锯齿尾缘流动控制方法,将锯齿关键尺寸参数融入到风力机翼型设计之中,从而开发仿生锯齿翼型的优化设计方法,获得低噪声与高气动性...     

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。     

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。     

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。     

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。     

风力机叶片固有频率优化设计研究

基于有限元方法,开发了风力机叶片固有频率计算程序,以商用1.5MW叶片为实例,与试验对比,验证了本程序的适用性。采用粒子群优化算法,通过优化叶片梁帽质量分布,从而提高叶片的固有频率。结果表明,优化后的一阶挥舞频率比原来提高了3%左右。     

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。     

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。     

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。     

多目标优化设计方法在翼型气动优化中的应用研究

本文将粘性流场分析与数值优化方法结合起来,由粘性流场分析得到升力、阻力等气动参数作为样本训练神经网络,并用训练好的神经网络来预测优化目标函数,分别采用了多日标遗传算法与多目标粒子群算法,对一种跨音速翼型的气动性能进行了多目标优化设计,并采用模糊偏好信息的多属性决策方法对多个优化解进行评价选优.算例研究表明,两种多目标优化算法都能得到有限多个多目标优化解,通过多属性决策方法评价选优的优化翼型气动性能有明显提高.     

风力机叶片21%相对厚度翼型粗糙敏感性研究

基于变速变桨水平轴风力机,依据动量叶素理论和风力机实例,分析得出了叶片外侧翼型(包括21%相对厚度翼型)在低于额定风速变速运行阶段的粗糙敏感性评价指标为升力系数和升阻比的下降率;提出了根据升、阻力系数对输出功率的作用大小来确定两粗糙敏感性评价指标权重系数的方法,并用实例演示了21%相对厚度翼型粗糙敏感性评判基准的获得;另外,通过正交设计、XFOIL软件几何造型与气动计算和方差分析得出了翼型各几何参数在不同雷诺数下对粗糙敏感性不同评价指标的影响程度和最优组合是不一样的。本文结论可为不同风况下风力机翼型的设计和粗糙敏感性评价提供参考。     

风力机叶片截面刚度优化设计

采用风力机叶片梁帽的厚度和宽度为优化设计变量,在保证气动外形不变,质量不增加的情况下,以获得最大截面挥舞刚度为设计目标,使用改进粒子群算法对叶片截面进行优化设计,建立了一种风力机叶片的截面刚度优化设计模型。算例结果表明:合理的设计梁帽的厚度和宽度能得到更好的截面挥舞刚度,验证了模型的有效性。优化结果对结构设计具有一定的参考价值。     

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。     

高尖速比下非对称翼型叶片结冰风洞试验

对于安装在湿冷环境下的风力机,极易遇到风力机表面结冰问题。风力机表面结冰严重影响了风力机的正常运行。为了研究垂直轴风力机在较高尖速比下的叶片表面结冰分布,本文采用了一种基于自然低温的结冰风洞试验方法。在低温环境下对采用S809非对称翼型的垂直轴风力机叶片进行试验,测试了在三种尖速比下的叶片表面结冰,并分析了结冰面积的变化。结果发现,当风力机尖速比超过1以后,叶片表面不再完全被结冰覆盖。主要结冰区域为叶片前缘,同时有横向生长的冰溜产生。     

风力机叶片多目标遗传算法优化设计

风力机叶片设计的目标多样性使得传统单一目标设计方法无法满足设计要求,大型风力机的高发电量与大负载之间的矛盾必须得到平衡。为此,以年发电量最大和叶片质量最轻为优化设计目标,通过多目标遗传算法设计了5 MW大型风力机叶片,得到Pareto分布优化解集。与NREL 5 MW风力机叶片比较结果表明:Pareto优化解集均一定程度优于参考叶片,其中得到了全面优于参考叶片的优化解,年发电量提高了2.48%的同时降低了质量7.7%。叶片气动外形不是影响质量的唯一因素,气动载荷对结构强度的要求间接地影响了叶片质量,进一步表明了以气动效率作为叶片设计唯一目标的设计方法的局限性。     

气动/几何约束条件下翼型优化设计的最优控制理论方法

基于最优控制理论原理和Navier-Stokes方程,研究了气动/几何约束条件下多设计变量的翼型气动优化设计问题.根据给定的目标函数表达形式,在计算坐标下详细推导了相应的共轭方程及边界条件,以及梯度方程的具体数学形式.通过合理数学变换,得到了物理空间上适应于CFD数值求解的共轭方程直观表达形式,并发展了有效数值求解目的.通过将流动方程、共轭方程、目标函数敏感性导数和优化算法相结合,发展了一种新的气动优化设计目的.相关设计算例表明该目的在设计理论、适用性以及时间费用等方面具有显著特色和优点,且设计结果更为可靠.     

涡流发生器对风力机专用翼型气动特性的影响

为了深入研究风力机叶片的减阻方法及效果,本文探讨了涡流发生器对风力机专用翼型的气动性能的影响。研究对象为直叶片段,涡流发生器安装在叶片段20%弦长处,并采用CFD方法对光滑叶片段及安装涡流发生器后的叶片段分别进行了模拟,得到了翼型的气动特性曲线。对比14°攻角下的两种情况的流动特性,发现在大攻角的情况下,涡流发生器确实能够推迟流动分离,从而极大地减小翼型的阻力,并且增大了翼型的最大升力系数;其次,本文分析了涡流发生器对叶片段表面压力分布的影响,发现涡流发生器对下游方向的影响明显大于对上游区的影响,这一点与涡流发生器搅乱下游流场的作用是一致的;最后,本文分析了涡流发生器控制流动分离的机理。     

跨音速自然层流翼型多目标优化设计

应用多目标优化方法在推迟翼型转捩位置的同时,优化激波控制鼓包的位置和外形来减小波阻.经过优化得到多目标问题的Pareto阵面解,通过对其上翼型的气动性能分析发现:优化后翼型的层流区域及激波强度较初始翼型均有改善.结果表明本文方法可以有效地解决层流翼型设计过程中转捩位置和激波强度之间的矛盾.     

尾缘吹气式稳定器近尾迹流动研究

本文在低速风洞中,利用在线式互相关ＰＩＶ系统,对尾缘吹气式火焰稳定器及Ｖ型火焰稳定器的近尾迹流动进行了测量,分析了瞬态场尾流结构,表明了可控横向射流与主流的相互作用形成可变回流区的特点及其与钝体回流区在流场结构上的不同,为揭示气动稳定器的稳焰机理及燃烧性能的进一步研究提供了重要的理论依据。