垂直轴风力机动态特性及气动性能

垂直轴风力机流场属典型的非定常大分离流动,因其气动性能复杂,采用工程气动模型会有较大误差.为了研究垂直轴风力机动态失速与翼型附着涡的形成与发展,针对4种不同厚度的NACA对称翼型系列,基于Fluent软件的滑移网格技术,并选用S-A湍流模型和基于压力的Simple算法对H型垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,得到了风轮旋转中动态失速相位角范围,较好地解释了小叶尖速比下翼型多处于动态失速区的流动机理.同时,提出了升阻系数计算方法,计算得到了该4种翼型系列的叶片扭转力矩、风力机功率和风能利用系数随叶尖速比变化规律.研究结果表明,风力机运行中翼型的动态与静态特性存在较大差别,翼型厚度对风力机扭转力矩、功率和风能利用率具有较大影响.故在进行垂直轴风力机设计时应综合考虑垂直轴风力机的翼型厚度等几何参数与旋转等动态参数对其气动特性的影响.     

柔性翼型主动控制与气动特性分析

为了降低风力机大型化带来的叶片长度与重量增加导致的疲劳载荷,改善叶片气动性能,以尾缘摆角为控制变量,借助Fluent中的UDF接口,采用C语言编制控制程序,实现了翼型柔性变形;分析了原始翼型与尾缘柔性变形后翼型的静态升力特性和静态阻力特性;对比了攻角变化与摆角变化对翼型气动特性的影响;研究了摆动周期内的柔性翼型表面静压分布及其动态升阻特性变化规律.结果表明:与原始翼型相比,适当的尾缘变形可增大升力系数,减小阻力系数,从而更加高效地实现流场主动控制;翼型尾部柔性变化使得翼型压力面和吸力面功能交替变化,可实现对整个翼型升阻特性的控制.     

叶片数对尾缘加弯板垂直轴风力机功率影响数值模拟

为了探究叶片数量对叶片尾缘加装弯板直线翼垂直轴风力机气动特性的影响,通过不同叶片数量下直线翼叶片尾缘加弯板对垂直轴风力机叶片周围流场改善情况的对比,分析其气动特性变化.选取NACA0018直线翼型作为研究对象,利用数值模拟计算7种弯板长度下,2,3,4这3种叶片数量下的直线翼垂直轴风力机动态输出特性和静态起动特性.研究结果显示:该类升力型垂直轴风力机的气动特性受到叶片数量和弯板长度的综合影响,弯弦比的增加能够提升风力机的阻力性能,但会弱化因叶片数量增加导致风力机产生的功率系数的差别;在不同叶片数量下,适当弯板长度对风力机静态起动性能具有优化作用,但其起到优化作用的方位角不同,且2叶片时优化效果最佳,平均转矩系数提升40%.该研究为垂直轴风力机叶片尾缘的设计与优化提供依据.     

基于XFOIL的DU型风电翼型气动特性仿真分析

文章在分析国内外风电翼型研究现状及总结各种翼型特点的基础上,利用XFOIL软件绘制了荷兰DU93-W-210翼型外形图,并建立了该翼型的气动分析数值模型,计算了该翼型在0～20°攻角下的升力系数Cl、阻力系数Cd及力矩系数Cm等翼型气动参数,并绘制该翼型的升力、阻力系数曲线及力矩系数曲线.文章将得到的计算结果与风洞试验结果进行了比较,结果表明,攻角在0～10°时,XFOIL的计算结果与实验数据大体趋于一致,特别是对Cl的计算拟合度很好,误差在3％以内.当攻角增大到10°后,翼型进入失速发展区,计算结果开始产生较大误差.所以,在使用XFOIL软件对DU93-W-210翼型进行计算的时候,可以明显观察到失速点在攻角为10°左右的位置.根据实验结果,在当前运行环境下,建议应用该翼型的风力机在不超过10°攻角的范围内运行.     

改进Gurney襟翼几何参数对翼型气动特性的影响

采用添加Gurney襟翼并光顺下弧面的方式对风力机专用翼型S822进行尾缘改型,利用k-ω SST湍流模型研究原始翼型和改进Gurney襟翼翼型的气动特性.计算分析了襟翼高度和压力面光滑连接襟翼顶端的开始位置,对翼型的升阻力系数、升阻比以及翼型表面压力分布和流场特性的影响.结果表明:开始改型位置相同时,随襟翼高度增加,升力系数在一定攻角范围内呈递增趋势,阻力系数持续增大,升阻比在襟翼高度为0.02弦长时最高;襟翼高度相同时,随开始改型位置后移,升力系数和升阻比增大,阻力系数变化很小.研究结论为风力机叶片翼型改型设计提供参考.     

Gurney襟翼对圆弧板翼型气动性能影响的数值模拟

为了分析Gurney襟翼对圆弧板翼型气动性能的影响,采用Fluent软件对无襟翼和带有不同高度Gurney襟翼的圆弧板翼型进行数值模拟.比较它们在不同攻角下性能的差异,分析其周围流场分布的变化,探究Gurney襟翼的增升原理.结果表明:Gurney襟翼改善了圆弧板翼型附近流场的分布,使其升力得到明显提高,并且襟翼高度越大,升力增加得越多;阻力在小攻角时略有减小,大攻角有所增大.在这两者共同影响下,翼型的升阻比在小攻角时获得较好提升.其中,襟翼高度为2%翼型弦长时,增升性能最好.流场中出现的卡门涡街和角涡是Gurney襟翼能够增升的关键因素.     

旋翼气动性能分析

旋翼气动特性的好坏与旋翼桨叶的气动外形有着密切的关系,而桨叶的弦长、扭转角和翼型选择尤其重要。本研究对旋翼桨叶的三维流场进行了分析。结果表明:在不考虑高速飞行(雷诺数)和飞行失速的情况下,扭转角增大,升力和阻力也会随着增加;翼型、迎角不变,随着弦长的增加,导致面积增大,升阻力随之增加;在相同迎角下,有弯度的旋翼桨叶比对称翼型的桨叶升力大。这基本符合直升机桨叶外形对气动性能的影响。     

叶片不等间距对离心泵水动力噪声的影响

以一台六叶片单级单吸立式离心泵为研究对象,研究了叶片不等间距对离心泵流体诱导噪声的影响。首先基于转子自动平衡理论建立了3种叶片不等间距叶轮模型,并对模型泵全流场进行了CFD数值计算,以提取蜗壳及泄露流道壁面偶极子声源。通过振动试验与基于模态响应的振动计算结果对比,验证了模型泵振动噪声数值预测的可行性,并进一步借助直接边界元法完成了水动力噪声计算。对比叶片不等间距叶轮与原叶轮模型计算结果,分析表明:叶片不等间距布置后泵总声功率级与声压级频谱均整体明显降低,但各不等间距模型总声功率级差距较小,最大仅为0.5%;除原叶频及谐频处声压级峰值外,叶片不等间距模型在145 Hz及其谐频上产生了新的声压级峰值,噪声能量更分散,噪声频谱更平稳;最小角间距θmin=50°时模型更能兼顾叶频和145 Hz处辐射噪声特性,噪声性能更优。     

计算模型维数对风力机翼型气动性能预测的影响

为了研究二维与三维计算对风力机翼型气动性能预测的影响,采用数值求解N-S方程的方法,对DU93-W-210二维翼型和三维直叶片进行了数值模拟,并将气动性能的计算结果与实验值进行比较。结果表明：当翼型表面气流未发生分离时,二维翼型与三维直叶片周围的流场结构相同,二者之间的气动性能无明显差异,三维直叶片可被简化为二维翼型;当气流分离时,三维直叶片周围的流场结构具有明显的三维流动效果,气动性能更接近实验值,三维直叶片不能简化为二维翼型,而且三维直叶片的展向长度不宜过小,取2～4倍弦长为最佳。     

直线翼垂直轴风力机静态流场数值模拟与可视化试验

为研究翼型对直线翼垂直轴风力机启动特性的影响,选取了厚度相似的正装非对称翼型S809与通用对称翼型NACA0018进行两叶片垂直轴风力机的对比研究.首先,运用数值模拟的手段得到采用2种翼型风力机的周期静态力矩曲线,取得二者力矩差异较大的特定方位角,并且进一步获得特定方位角下的涡量图和矢量图.然后通过可视化试验得到叶片周围流场矢量图,并将其用来验证模拟结果的准确性.继而结合涡量图和矢量图,对2种风力机叶片周围的旋涡和流动变化情况进行分析.计算结果表明:2种翼型的力矩曲线随方位角变化规律一致,NACA0018翼型的启动性要好于正装S809翼型;叶片尾流的旋涡使流场变得不稳定,造成能量损失;2种翼型叶片尾流均有不同程度的旋涡产生,使流场变得不稳定,相比NACA0018翼型,正装S809翼型叶片后部的剪切流动更强,产生的旋涡更近,对叶片启动性的影响也更大.     

低风速下H型垂直轴风力机气动性能

为了准确地研究低风速下H型垂直轴风力机的特性,以自主研发的H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟方法,分析了低风速下H型垂直轴风力机的气动性能和三维效应特征.分析结果表明:低风速区域,保持叶尖速比不变,改变风轮转速或来流风速,对H型垂直轴风力机的功率系数影响较大,且风速对叶尖速比的影响比转速的影响更敏感;在低风速区域,即使转速较大,风力机实际仍工作在低叶尖速比区域;在数值模拟中,设定合理的风速和转速的匹配有利于提高模拟结果的可靠性;在不考虑风剪切的情况下,三维效应受叶尖涡影响,且叶尖涡在0°方位角的位置时影响较大,同时还受风轮内流场的作用,且这种作用随着转速的增加而增强.计算结果为进一步研究H型垂直轴风力机提供了参考.     

采用新颖翼型的H型风轮气动特性试验研究

为了提高H型风轮的自启动性能,探索性地设计了一种仅有前缘和一个翼面的新颖翼型,并对采用该翼型的H型风轮进行风洞试验,分别测试了H型风轮在多个风速下的空载启动性能和功率输出特性,分析了雷诺数效应及翼型对于不同实度风轮的适用性.结果表明:采用新颖翼型的H型风轮能够低风速启动,具有较好的启动性能,该翼型对于提高大实度风轮的启动性能尤其明显;采用该翼型的大实度风轮以阻力为主要驱动力,本质上属于阻力型风力机,然而具有较高的风能利用系数.综合启动性能和功率输出特性,文中设计的翼型适用于大实度H型风轮.     

直叶片达里厄风轮流场非定常数值计算

为了提高达里厄风轮复杂内部湍流流场的认知程度,采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对采用NACA0012翼型的直叶片达里厄风轮的空气动力流场进行二维数值研究,分析叶片流场、叶片动力矩特性、转速对风轮流场的影响规律.叶片流场研究结果给出了叶轮不同时刻、不同位置的流场,揭示叶片攻角随方位角的变化规律为非简单地遵循正弦曲线.动力矩特性曲线揭示叶片在90°方位角时产生最大力矩值,在下盘面动力矩极小并接近于0甚至为负值,证明攻角均极小.比较同一风速、不同转速下的流场发现,随着转速增大,内流场风速逐渐减小;比较动力矩曲线发现,随着转速增大,上盘面动力矩最高值先增大后减小,存在最大值;下盘面动力矩极低值逐渐减小且范围变广.计算结果与试验结果的对比证明,滑移网格技术和湍流模型的模拟计算能够较好地反映直叶片立轴风轮流场特性.     

旋涡自吸泵流致噪声模拟及降噪

以比转数为15.9的旋涡自吸泵为研究对象,结合CFX和LMS Virtual Lab中的Acoustic Harmonic BEM模块对旋涡自吸泵内流压力脉动和流致噪声进行仿真研究,旨在降噪优化.首先采用RNG k-ε湍流模型对旋涡自吸泵0.4Q_d,0.6Q_d,Q_d这3个工况下的内部流场分别进行定常、非定常求解,捕捉蜗壳壁面以及进出口管道壁面的压力脉动数据,并以cgns文件导入Acoustic Harmonic BEM模块进行声场计算,求解旋涡自吸泵内部的声压级大小及其分布特性.结合内流压力脉动与声场计算结果综合分析可得:蜗壳隔舌与叶轮的间隙内的压力脉动是产生流致噪声的主要因素.为了降低旋涡自吸泵内部流致噪声,借鉴涡轮叶片锯齿尾缘结构,优化叶片以降低间隙内流压力脉动.通过流场和声场的数值模拟的对比分析发现:优化泵隔舌间隙处压力脉动幅度在设计工况下最大降低20.0%,在小流量工况下最大降低26.6%;较之原模型,设计工况下改进型泵进、出口管道监测点的声压级分别降低1.01,1.03 dB;小流量工况下,进、出口管道声压级最大幅值分别降低8.57,2.65 dB.     

考虑小攻角影响立轴风轮气动性能改善方法

立轴风力机叶片在旋转1周中其攻角正负转化,在0°和180°方位角攻角为零,表现为负力矩,这降低了叶片的平均力矩,也降低了升力型立轴叶轮整体性能.首先概述了升力型立轴叶轮的研究现状,分析指出目前的研究均主要针对叶轮整体机构、叶片结构及流场情况进行大攻角高性能区域的改善,未减轻小攻角区域的影响.针对此问题,提出了2种考虑小攻角影响的立轴风轮气动性能改善方法,干扰气流方法和新变桨方案.前者主要消除0°和180°位置角零攻角和负力矩,后者通过改变高性能区的范围来减小特殊位置角的影响并产生新的性能极大值点.基于叶素动量理论,建立双盘面多流管模型,分别运用于NACA0012翼型、旋转半径为2 m的2叶片Φ型、H型立轴风力机,并且采用Matlab程序设计语言进行相应计算研究.研究结果显示这2种方法大幅度地降低了负力矩影响范围,整体效果改善显著,上盘面都优于下盘面.     

具有导流板直线翼垂直轴风力机气动特性分析

为了改善直线翼垂直轴风力机的气动特性,通过在风力机外部安装平板型导流板,用以改变来流方向,改善叶片周围流动情况,从而提升风力机的气动特性.以采用NACA0018翼型的4叶片小型直线翼垂直轴风力机为对象,在风力机外部均匀安装了6枚平板型导流板,采用二次正交旋转设计方法,对导流板的宽度、角度和与风力机距离进行研究.以平均静态力矩为指标,通过数值模拟研究得到一组最优的导流板结构参数,并对静态流场进行了分析.根据数值模拟得到的最优导流板结构参数,制作了导流板及风力机模型,进行了风洞试验.结果表明:导流板的安装有效提升了直线翼垂直轴风力机的启动性能和气动性能.在10 m/s风速下,与无导流板的风力机相比,有导流板的风力机最大静力矩系数提升了35.6%,功率系数提升了39.5%.结论可为采用导流板来提升风力机性能的研究提供有益的参考.