新型升阻混合型垂直轴风力机气动特性研究

考虑S型与H型垂直轴风力机的特点,设计了一种新型升阻混合型垂直轴风力机,采用CFD法计算其启动与气动性能。结果表明,原始H型垂直轴风力机数值结果与试验值在各工况下吻合良好;新型升阻混合型垂直轴风力机不同方位角下的启动力矩均大于原始H型风力机,最小及最大值分别提升232%和83.3%;S型风轮输出功率随叶片重叠比增加而减小,完全重叠时输出功率基本为0;新型升阻混合型垂直轴风力机最大风能利用率为0.298,具有更复杂的流场特性。     

零质量射流技术控制垂直轴风力机流动分离的 数值研究

设计了一种斜出口零质量射流激励器并将其应用于垂直轴风力机.对施加零质量射流激励器的直线翼垂直轴风力机进行了数值研究.为适应垂直轴风力机运行工况,提出了一种冲程长度随方位角变化的激励器控制策略,验证其减小激励能耗及改善流场结构的特点;分析了射流孔数量及冲程长度对控制叶片流动分离及提升风力机气动性能的影响规律,并在最佳控制参数下对风力机流场结构进行了分析.结果表明:当激励器布置于叶片后部,最大射流吹气系数为0.0506时,采用该种激励器控制策略下的双射流孔风力机,风能利用系数相比未施加流动控制、定常吹气、定冲程长度最大分别提升21.31％、3.98％、0.06％,且射流孔数越多,提升效果越差.该种流动控制技术可抑制大涡的形成及发展,改善叶片周围流场结构.     

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。     

基于涡尾迹方法的风力机气动性能分析

基于(势流)涡尾迹方法开发了水平轴风力机叶片气动性能分析程序,采用固定尾迹涡模型和自由尾迹模型分别对气动设计性能进行计算分析,得到风力机设计工况下的涡位置、诱导因子、功率系数及扭矩系数等气动性能参数,并与设计结果对比。结果表明,涡尾迹方法能够快速准确地计算风力机叶片气动性能参数,对风力机叶片气动分析,固定尾迹涡模型较自由尾迹模型计算时间短,具有较好的实用性。     

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε(RNG)湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室(NREL)5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。     

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε（RNG）湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室（NREL）5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。     

可变形飞行器新概念升阻特性分析

飞行器的变形方式可分为三大类:局部小变形、中等变形和大尺度变形.针对大尺度变形,提出了两种可变形概念:变前掠翼布局和可伸缩翼布局.通过数值方法计算分析了不同变形外形在不同马赫数下的升力、阻力和升阻特性,从中总结出适合于各个速度段的能够获得最大升阻比的最佳变形方式.结果表明:大尺度变形能够显著改变飞行器的升阻特性,使可变形飞行器能适应较广范围飞行条件的变化,因而在全飞行周期中比传统的固定外形飞行器具有更优的性能.     

湍流风况顺桨风力机叶片气动阻尼特性研究

当前风电技术大型化发展, 叶片气弹失稳问题特别是特殊工况下的稳定性问题成为国内外各界关注的热点和难点. 湍流风况下顺桨风电叶片气弹稳定性直接影响风电机组的安全可靠性. 气动阻尼是叶片稳定性判断的重要指标. 为探究湍流风况顺桨风电叶片气弹失稳特性规律, 以NERL 5 MW风力机叶片为研究对象, 基于修正叶素动量理论、欧拉−伯努利梁模型和气动阻尼计算方法, 建立顺桨叶片气动阻尼计算模型, 采用Kaimal湍流风模型进行瞬态分析, 获得风况参数对风力机叶片气动稳定性的影响规律及叶片的气动失稳概率, 为大型风力机叶片气弹稳定性设计与控制提供参考. 结果表明: 顺桨叶片气动阻尼在全周风向上呈180°周期特性, 且25°风向为相对危险工况; 风速越大气动阻尼负值越显著, 气动不稳定风向范围越大, 失稳概率越大; 湍流强度增加, 一阶挥舞气动阻尼下限降低幅度明显, 气动不稳概率增加; 湍流风况下顺桨叶片平面外方向的失稳概率较平面内方向更大, 且两个方向失稳概率曲线呈相似周期性规律.     

某型电动飞机气动特性数值模拟与风洞实验

为了验证某型大展弦比电动飞机气动设计的合理性以及为飞行性能及品质计算提供数据,采用有限体积法离散求解三维可压雷诺平均Navier-Stokes方程,并选用Spalart-Allmaras湍流模型对该电动飞机流场进行CFD数值模拟.结果表明,该型电动飞机气动设计合理,巡航速度升阻比最高可达23,具有较高气动效率;通过CFD数值模拟得到了全机升力系数、阻力系数和升阻比.为了验证CFD计算结果,对该型电动飞机进行了缩比模型风洞实验,结果显示,CFD数值模拟法计算结果与风洞实验结果高度吻合,说明CFD计算结果准确.该方法可为大展弦比电动飞机气动设计提供指导.     

风剪切对风力机叶片气动性能及尾迹形状的影响

风力机通常运行在非定常工况中,其气动性能及尾迹会随着工况的变化而变化. 风剪切是风力机长期所处的环境,它会影响到叶片气动载荷、尾迹形状、总体性能等,分析风剪切作用下的叶片气动性能对风力机的设计有重要意义.本文采用一种时间步进自由涡尾迹(free vortex wake, FVW)方法,耦合FVW方法与风剪切模型,计算不同风剪切因子作用下叶片的气动力系数、推力以及风轮后的尾迹形状变化,研究尾迹形状变化对风轮旋转平面诱导速度及风力机叶片气动性能的影响. 结果表明:在风剪切入流条件下, 随着风剪切因子的增大,风力机的气动力系数随时间做周期性波动的幅度加剧, 推力的平均值逐渐减小,尾迹倾斜程度增大, 尾迹在轮毂下方的倾斜程度更明显;尾迹形状的变化使风轮平面轴向诱导速度因子分布不均匀,同时使风力机的总体性能降低且偏离较大;倾斜尾迹相比于对称尾迹对风轮平面处的诱导影响有明显差别, 波动幅值增大,气动力系数在波谷处的偏差比波峰处大. 尾迹越倾斜,风轮旋转平面处的载荷不对称性越明显.     

一种新型浮升一体化排式飞翼的设计与研究

设计既有较大的内部容积、又有高气动效率的新型浮升一体化气动布局对此类低速飞行器的发展具有重要的科学研究价值和工程应用前景. 以NACA0030翼型为基础,构造了具有较高体积率(体积/表面积)的排式飞翼气动布局. 对不同排列形式的排式飞翼进行了详细的计算和评估分析,并提出了具有更好操纵性和稳定性的排式后掠飞翼气动布局. 数值模拟结果表明: 通过排式飞翼中后翼对前翼下方气流的阻滞作用,排式直飞翼和排式后掠飞翼的升阻比分别增大40%和 20%, 整个飞行器的气动效率显著提高; 同时, 浮升一体化排式飞翼的弦向尺寸较小,可有效降低材料的表面张力,这为高空飞行器表面柔性材料提供了较宽的选择范围.      

垂直轴自由变偏角水轮机的多体耦合数值求解方法

基于达朗伯原理建立了自由变偏角水轮机结构动力学模型,并结合粘性CFD方法,形成了一种用于分析自由变偏角潮流能水轮机水动力特性的多体耦合数值计算方法.将该方法与试验及非耦合算法进行了对比分析,并研究了自启动、流速变化和负载变化对水轮机性能的影响规律.研究表明:本文建立的数值计算方法能够有效模拟自由变偏角水轮机在各种非定常过程中的运动特性和动力特性.     

顺桨风力机塔叶干涉翼型非稳气动力时频特性

由于风力机叶片与塔筒流场相互干涉, 实际气动力与理想情况存在较大差异, 这种干涉作用造成的气动力差异给叶片与塔筒结构可靠性带来不可忽视的影响. 以翼型DU91-W2-250为研究对象, 采用瞬态数值分析与本征正交分解方法, 考虑叶片和塔筒流场相互干涉作用, 分析顺桨工况翼型非稳气动力时频特性及其影响规律, 量化不同雷诺数下塔叶相对位置及几何参数对气动力均值、波动幅度和频率的影响程度, 通过流场模态能量分布形态分析, 揭示流场干涉对气动力的影响机制. 结果表明, 翼型气动中心至塔筒几何中心的垂直距离、水平距离以及塔筒直径相对于翼型弦长的无量纲参数y*, x*和D*对气动力均有不同程度影响, 其中y*对升阻力系数均值影响最大, 对频率无明显影响, y*绝对值越大, C_l均值越接近单翼型C_l值, y*绝对值越小升阻力系数波动幅度越大, y*从−12增大到12, 升力系数均值最小值为−0.48, 最大值为1.16; x*减小和D*增大, 反向阻力均值增大, 波动幅度增大, 波动频率略有下降, 当x*小于临界值5时, 带塔翼型阻力均值反向; 在计算范围内, 带塔翼型升力系数均值相对于单翼型升力系数最大偏差为−221.94%, 其最大波动幅度相对单翼型升力系数为28.0%, 带塔翼型阻力系数均值最大偏差为−1189.3%, 其最大波动幅度为121.1%; 受塔筒前方高压区影响, 翼型流场存在明显对称脉动激励, 造成气动力偏离和波动.