仿鸮翼型风力机叶片气动弹性变形分析

为抑制风力机叶片的气动弹性变形,提出一种用于大型风力机的仿鸮类翼型改型设计方案.通过单向流固耦合方法分析了仿生翼型对叶片气动弹性变形的影响,并通过模态分析和共振响应阐述了仿生翼型抑制叶片气动弹性变形的机理.结果发现：与模型叶片相比,仿生翼型叶片气动弹性变形量降低了11.05%.仿生翼型使叶片压力面应力分布趋势发生改变,使叶片压力面的最大应力值由叶中转移至前缘.仿生翼型使叶片上下表面的压力差提高,且吸力面的压力值约为原来的2倍,使叶片提高了在挥舞方向的抗变形能力.同时,叶片的气动性能有所提高.仿生翼型使叶片的一阶至六阶固有频率升高;仿生翼型使叶片在挥舞方向上的共振变形量减小了89.23%,叶片的共振速度和加速度幅值也降低了.故仿生翼型能够有效抑制叶片的气动弹性变形,其设计方法及结论可为抑制大型风力机叶片的气动弹性变形研究提供一种新思路.     

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。     

扑翼型仿生泵水装置设计与实验

针对平原河网地区细小枝杈河道存在的水动力不足问题,设计了一种扑翼型仿生泵水装置,以满足极低扬程工况下,大流量、高效率的输水需求。以金枪鱼尾鳍和矩形平板为基础建立了扑翼模型,利用有限体积法(FVM)和重叠网格技术对不同特征弦长和轮廓的扑翼开展三维数值模拟,并对比进行了尾鳍与矩形扑翼的泵水实验,结果表明：随着扑翼特征弦长的增大,周期内平均推力系数有所提升,但其泵水效率略微下降;而在相同面积约束下,具有尾鳍特征轮廓的扑翼相对于矩形扑翼提升了装置的泵水流量与效率,实验扑动频率为0.7 Hz时,尾鳍扑翼流场稳定平均流速为28.44 cm/s,较矩形扑翼的25.13 cm/s提升13.6%。     

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.     

791翼型水动力性能的多目标遗传优化

首先采用贝塞尔曲线参数化翼型背面型线,控制翼型的厚度变化规律;其次,通过均匀试验设计方法和人工神经网络建立背面型线控制点与翼型性能参数之间的近似模型;最后通过多目标遗传算法优化791翼型的背面型线,获得具有较好绕流特性下的厚度变化规律.以791翼型的升阻比F最大化和阻力F_D最小化为优化目标,以贝塞尔曲线的控制点为优化变量进行计算.优化结果表明:单纯地以翼型升阻比和阻力为优化目标时,优化后翼型阻力最大减小了4.17%,升阻比最大增加了15.33%,“失速”冲角增大;优化后翼型的最大厚度的位置更加靠近来流方向,出现在弦长约0.390处,最大厚度增加,约为弦长的0.090;当改变优化目标时,该多目标优化策略可也以较好地优化翼型的结构,提高翼型的绕流性能,可为其他流体机械的优化方法研究提供一定的参考.     

基于Cosserat理论的仿生鱼骨连续型机器人静力学分析

连续型机器人具有良好的灵活性、柔顺性和人机安全性等优点,受生物鱼骨结构启发,提出了结构紧凑、质量轻、灵活性高的仿生鱼骨连续型机器人。但多节垂直交叉的刚柔软耦合结构模式使仿生鱼骨连续型机器人静力学的精确建模难度增加。本文基于Cosserat理论考虑了驱动绳索和弹性骨干的耦合作用对该机器人进行静力学分析,建立了仿生鱼骨连续型骨干的Cosserat-rod模型和驱动绳索的Cosserat-string模型以及二者的耦合模型,预测了一节仿生鱼骨单元以及垂直交叉串联布置的两节仿生鱼骨单元的变形规律。理论与实验结果相比,理论值误差在1.5mm之内,为其长度的1.2%。本文为绳索驱动的刚柔软耦合连续型机器人的静力学建模提供了理论参考。     

相对弯度对钝尾缘改型提升翼型气动性能的影响

研究不同弯度的风力机专用翼型修改前后的气动性能,揭示相对弯度对钝尾缘改型增升效果的影响规律。利用XFOIL软件,对低速翼型S809、S823和S830进行尾缘厚度对称分布的钝尾缘改型。采用S-A和k-ωSST湍流模型模拟翼型原型的气动性能,并用实验数据比较两模型的计算精度。进而基于精度较高的k-ωSST湍流模型,计算了修改后翼型的升、阻力系数、升阻比和三者增幅,以及翼型表面压力系数分布。结果表明:对低速翼型进行钝尾缘改型时,随相对弯度增大,升力系数增幅在一定攻角范围内先增大后减小,升阻比增幅在一定攻角之前呈递增趋势;相对弯度约为2.5%弦长的翼型增升效果最佳,且大弯度翼型不适合钝尾缘改型。     

粗糙度对风力机翼型气动性能影响的数值预测

采用二维不可压缩N-S方程和SST k-ω湍流模型研究了风力机翼型DU 95-W-180在粗糙表面时的空气动力学性能,在整个翼型表面均匀分布不同高度的粗糙带时,得到了该翼型的升力和阻力特性曲线,以及最敏感的粗糙度;同时,研究了在翼型压力面和吸力面的不同位置布置粗糙带时,粗糙带位置对翼型的升力和阻力特性的影响,通过分析得到了该翼型对粗糙带的最敏感位置,并进一步分析了翼型两个敏感位置的粗糙度对翼型升力特性、阻力特性和升阻比的影响.     

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。