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。     

On the unsteady motion and stability of a heaving airfoil in ground effect

This study explores the fluid mechanics and force generation capabilities of an inverted heaving airfoil placed close to a moving ground using a URANS solver with the Spalart-Allmaras turbulence model. By varying the mean ground clearance and motion frequency of the airfoil, it was possible to construct a frequency-height diagram of the various forces acting on the airfoil. The ground was found to enhance the downforce and reduce the drag with respect to freestream. The unsteady motion induces hysteresis in the forces’ behaviour. At moderate ground clearance, the hysteresis increases with frequency and the airfoil loses energy to the flow, resulting in a stabilizing motion. By analogy with a pitching motion, the airfoil stalls in close proximity to the ground. At low frequencies, the motion is unstable and could lead to stall flutter. A stall flutter analysis was undertaken. At higher frequencies, inviscid effects overcome the large separation and the motion becomes stable. Forced trailing edge vortex shedding appears at high frequencies. The shedding mechanism seems to be independent of ground proximity. However, the wake is altered at low heights as a result of an interaction between the vortices and the ground.     

旋翼翼型动态失速流场特性PIV试验研究及L-B模型修正

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.      

UNSTEADY SEPARATION OF FLOW AROUND AIRFOIL WITH LOCAL ELASTIC STRUCTURE

对在低雷诺数下局部弹性翼型绕流中,局部弹性导致的自激振动所产生的复杂非定常流动分离现象和描述方法进行了分析．采用ALE—CBS方法数值模拟了具有可动边界的绕流流场问题,同时采用Galerkin方法求解局部弹性结构的控制方程．着重研究了翼型的局部弹性对流动分离和翼型性能的影响,并分别从Eulerian和Lagrangian的角度分析了局部弹性结构导致的不同非定常分离现象,其中Lagrangian角度可以方便地揭示出局部弹性翼型大幅度提高升力的机理和流动中的能量迁移．结果表明翼型的局部弹性对非定常分离和分离泡的演化过程有着明显的影响,可以使得流体质点由主流获取动量实现再附,并且在一定的攻角下可以将固定分离转变为移动分离,从而明显地提高了翼型的升力．     

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%).      

安装角对旋转翼型结冰分布影响实验研究

为开展风力机叶片翼型在旋转状态下不同安装角表面结冰分布规律的研究,基于自行设计建造的一种利用自然低温的结冰风洞试验系统,完成了对称翼型NACA0018在0°、10°及20°三种安装角下的结冰风洞试验,试验中选取了200 r/min、400 r/min及600 r/min三种转速,选取了6 m/s及8 m/s两种风速,并利用高速摄像机获得了叶片表面的结冰分布,拍摄时间分别设定为15 min、30 min、45 min及60 min。利用前期研究提出的一种不规则冰形评价方法,对不同工况下叶片表面的结冰冰形进行了定量分析,利用相对迎风面与绝对迎风面定性分析了不同安装角对叶片表面的结冰区域的影响。研究结果表明,安装角对叶片表面的结冰分布影响较大,同一工况下不同安装角的叶片表面结冰有较大差异,转速也是影响结冰的关键因素,而风速对结冰分布的影响较小。本研究可为风力机叶片防/除冰技术提供参考。     

满足几何守恒律的WENO格式及其应用

对几何守恒律的来源进行了分析,发展了一种满足几何守恒律的WENO格式,并应用于翼型层流分离现象的数值模拟中。为消除网格质量影响,采用守恒型方法计算网格导数,并将标准的WENO格式分解为中心差分部分和数值耗散部分。算例计算结果表明,几何守恒律对高精度有限差分WENO格式计算结果具有重要影响,本文方法能够消除网格导数计算误差,保证来流保持性。将本文方法应用于SD7003翼型层流分离现象的数值模拟中,计算结果与文献中计算及试验数据吻合较好,同时能够精细捕捉小尺度流场结构,准确模拟翼型层流分离现象中的复杂流动过程。     

多喷口高效能厚翼的研究

提出了以下高效能翼型的思想：用多喷口小速度切向吹气控制厚翼上的流动分离,使流动接近于理想流状况,以产生大升力,小阻力;因多喷口小速度吹气耗能小,故翼型的有效升阻比可以很大．基于雷诺平均N－S方程进行了数值模拟实验．主要结果表明：对于厚度为0.4的儒氏翼型,在升力系数高达3．5时,有效升阻比可达约50（单喷口吹气约为23）;对于厚度为0．4的"升力体"翼型,在升力系数达2．2时,有效升阻比可达40（喷口吹气约为10）．     

Numerical analysis of the s1020 airfoils in tandem under different flapping configurations

The objective of this project is to improve the performance of the efficiency, thrust and lift of flapping wings in tandem arrangement. This research investigates the effect of the arrangement of the airfoils in tandem on the performance of the airfoils by varying the phase difference and distance between the airfoils. Three flapping configurations from an earlier phase of a research which gives high efficiency, thrust and lift are used in the tandem simulation. It is found all the different flapping configurations show improvement in the efficiency, thrust or lift when the distance between the two airfoils and the phase angle between the heaving positions of the two airfoils are optimal. The average thrust coefficient of the tandem arrangement managed to attain more than twice that of the single one （4.84 vs. 2.05）. On the other hand, the average lift coefficient of the tandem arrangement also increased to 4.59, as compared to the original single airfoil value of 3.04. All these results obtained will aid in the design of a better ornithopter with tandem wing arrangement.     

跨音速翼型反设计的一种大范围收敛方法

求解跨音速翼型的反设计问题时,传统的梯度型方法一般均为局部收敛. 为增大求解的收敛范围,依据同伦方法的思想,通过构造不动点同伦,将原问题的求解 转化为其同伦函数的求解,并依据拟Sigmoid函数调整同伦参数以提高计算效率,进而构造 出一种具有较高计算效率的大范围收敛反设计方法. 数值算例以RAE2822翼型的表面压力分 布为拟合目标,分别采用B样条方法, PARSEC方法及正交形函数方法等3种不同的 参数化方法,并分别以NACA0012, OAF139及VR15翼型为初始翼型进行迭代计 算. 计算结果证明,该方法适用于多种参数化方法,且具有较好的计算效率,从多 个不同的初始翼型出发,经较少次数迭代后, 均能与目标翼型很好地拟合,是一种高效的大范围收敛方法.