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CFD的内附翼无人机的气动设计与验证

本研究基于CFD数值优化从翼地效应扩展到应用于飞机机翼的设计,从外部看仍是一个机翼,但是前缘和后缘都是没有封闭的.通过Fluent软件分别计算了中间翼型距离上翼型距离H为1.5~10.5cm,取攻角为0度、4度和8度,共计21种参数组合工况,且计算0度迎角下单个翼型和大间距的内附翼的情况,计算结果表明内附翼的气动性能具有较大潜力,当中间翼型距离上翼型距离为10.5cm设计的小间距内附翼气动性能最好.最后通过制作和飞行试验证明其性能优越.     

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.     

轴流泵叶片的参数化造型及多参数优化

为了实现轴流泵水力性能的自动优化,建立了基于I-sight软件的轴流泵叶轮设计优化平台,实现了模型更新、计算域网格划分、数值模拟计算以及数据读写的自驱动.为了避免传统优化过程中出现的反复造型所带来的问题,对基于圆弧法设计的轴流泵叶片通过进、出口角及不同位置的叶片厚度进行参数化解析,据此提出一种轴流泵叶片的参数化造型方法,实现以较少的变量控制叶片的外形.以轴流泵的水力效率为优化目标,以叶片二维截面的进、出口角为优化变量,以表征性能的参数扬程为约束条件,应用多岛遗传算法对一台比转数为1 500的轴流泵进行优化计算.结果表明:通过500次迭代计算,额定工况的水力效率由80.4%提升到82.4%;在(0.8~1.2)Q_BEP,泵的水力效率均有所提高,高效区域得到了扩大.该结论对于叶轮机械的水力优化和工程应用,有一定的价值.     

基于回归Kriging代理模型的吸油烟机用多翼离心风机优化

为提高风机系统的最大风量来达到吸油烟机性能改善的目的,采用一种代理模型方法对多翼离心风机的叶轮进行优化设计.确定多翼离心风机的关键参数:叶片出口角β₂、叶片最大弯曲度f和叶片出口位置Δφ及其参数变化范围,利用最优拉丁超立方试验设计方法生成44组样本.结合高可信度的计算流体力学(CFD)构建能准确反映3个设计变量与最大风量之间关系的回归Kriging模型,利用遗传算法对其进行寻优,并采用最小化代理模型预测(MSP)的加点准则达到优化收敛条件.研究结果表明:构建的回归Kriging模型能准确反映设计参数与最大风量的映射关系.对最优的叶轮设计参数进行模型试验,显示优化后的叶轮使得油烟机最大风量提高了4.4%,并且在多个工况下风量和效率均有一定程度提高.     

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.     

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。     

基于改进粒子群算法的喷水推进泵叶片优化设计

为了改进喷水推进泵的敞水性能,利用改进粒子群优化算法优化其转子叶片.结合改进粒子群优化算法与数值仿真技术,以升阻比和压力分布为优化目标,对翼型NACA-6510进行优化.结果表明:经优化,翼型升阻比提高14.7%,压力分布中最低压力提高20%,有效地抑制了空化的发生.将优化翼型应用于喷水推进泵的水力模型设计,不改变翼型的位置,对其性能进行分析,发现其推力提高2.55%,效率提升6.38%;结合对扭矩系数和轴功率的分析,优化后喷水推进泵性能明显改善.经优化,喷水推进泵流场中叶片压力脉动明显改善,叶片最低压力值提高,延迟了空化的发生;分析叶片载荷分布,以及推力和扭矩的频域分布,发现叶片的优化未改变其基频,幅值变化与喷水推进泵的外特性参数相对应.上述优化设计有效改善了喷水推进泵的性能.     

基于响应面和遗传算法的尾座式无人机结构参数优化

设计了一种垂直起降尾座式无人机,利用中心组合试验(Central composite design,CCD)对无人机的翼展长、后掠角、小翼高和小翼厚4个结构参数进行设计,构建了25组样本点。利用ANSYS CFX进行升阻比和阻力数值模拟,通过Design-Expert软件建立无人机结构参数与升阻比、阻力的响应面模型,其中升阻比随着翼展长和小翼高的增加而增大,后掠角和小翼高对升阻比的影响较小,当攻角为4°～8°时,升阻比随小翼厚的增加而减小,当攻角为10°～12°时,升阻比随小翼厚的增加而增大;阻力随着翼展长和小翼厚的增加而增大,随小翼高的增加而减小,随后掠角的增加先增大后减小。以升阻比最大和阻力最小为优化目标,采用多目标遗传算法进行结构参数优化,得到最优结构参数为:翼展长1 123 mm、后掠角34°、小翼高39 mm、小翼厚3 mm,与原始样机相比升阻比提高了12. 4%,阻力降低了5. 3%。采用风洞试验对响应面模型进行了验证,其中升阻比和阻力的数值模拟相对误差小于8. 0%,响应面模型相对误差小于3%,表明响应面模型具有较高的精度和良好的通用性,可用于垂直起降尾座式无人机的优化设计。     

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.     

超大流量轴流潜水泵叶轮设计与优化

基于升力法对超大流量轴流潜水电泵叶轮进行水力设计,采用计算流体动力学方法对超大流量轴流潜水电泵装置进行全流道数值模拟和性能预测,并对该水力模型进行优化,同时通过试验对计算结果进行验证.分析结果表明：原设计模型在叶轮压力面进口处存在较明显的局部高压区,吸力面进口附近存在明显低压带和局部高涡量区域,消耗较大的能量,是导致叶轮效率低的主要原因之一;通过调整叶片进口角度和叶轮转速2个参数进行模型优化设计,优化后模型叶片压力面的静压分布较均匀,吸力面低压区域相对较小且涡量分布均匀;优化设计明显改善了叶片表面的压力分布和空化性能,同时提高了机组的水力效率;优化后的水力模型性能预测结果与实验结果吻合较好,数值预测结果能够较为准确地反映轴流泵系统的水力性能.研究结果为该类泵水力模型优化和性能改进提供了参考.     

垂直轴风力机翼型涡流噪声的数值分析

为了了解垂直轴风力机翼型涡流噪声特性,以LUT翼型为研究对象,首先利用Fluent进行流场分析,流场计算选用DES湍流模型,再结合Lighthill声类比方法计算翼型周围声场,将数值模拟计算得到的气动特性相关数据与该翼型的风洞试验结果作对比分析,同时分析了不同攻角对该翼型气动噪声特性的影响,最后研究了在攻角为8°时不同雷诺数对该翼型的声压级指向性特征影响.结果表明:数值计算所得气动数据与风动试验数据拟合良好,建立的仿真模型、网格质量和边界条件合理有效;随攻角增加,翼型涡脱落从尾缘向前缘推进,同时涡流脱落强度增大,气动噪声增强;随着雷诺数的增加,翼型四周声压级先增加后减小;雷诺数与声压级关联较大,控制叶片雷诺数有助于降低叶片噪声,为该翼型适用于低噪声垂直轴叶片提供理论基础.     

冲角对轴流泵叶轮水力性能的影响

【目的】研究冲角对轴流泵叶轮水力性能的影响。【方法】针对比转数为880的轴流泵叶轮,采用数值模拟方法和数值优化技术,基于儒可夫斯基翼型从3个角度进行冲角对轴流泵水力性能的影响研究。【结果】当设计参数保持不变时,冲角增大,扬程升高,比转数发生变化,最高效率增大,高效区往大流量偏移。为了使翼型处于更高质量区,建议轮缘侧翼型冲角在0～3°之间,且比转数大者取小值。当改变轮毂侧和中间断面翼型冲角时,设计工况下,为了得到较高扬程和较高效率的轴流泵叶轮,可以适当增加中间断面的翼型冲角,同时为了减小叶片扭曲改善非设计工况的水力性能,可以适当减小轮毂侧的翼型冲角。当比转数保持一致时,冲角增大,流量-扬程性能曲线的斜率减小,最高效率值保持相当,高效区范围往大流量偏移且高效区范围变宽。【结论】冲角对轴流泵叶轮水力性能有着重要影响,实际工程应用中,为保证轴流泵叶轮具有较好的水力性能应同时兼顾轮毂和轮缘侧的翼型冲角。     

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.     

水翼表面布置射流水孔抑制空化

为研究水翼表面布置射流水孔对空化的抑制效果,采用RNG k-ε湍流模型结合全空化模型对8°攻角NACA0066(MOD)水翼进行二维非定常空化流场计算,分析当射流比分别为0.1,0.2和0.3时的水翼表面空化流场结构及其演化过程的流动特性,得到了不同射流条件下水翼升阻力系数的变化趋势.计算结果表明:布置射流水孔可以有效阻挡回射流从翼型尾部向翼型头部的运动,使得空泡脱落现象明显减弱,从而抑制了片空化向云空化的发展,且随射流比增加,射流对回射流和云空化的抑制作用更加显著;射流的注入同时使得升力系数和阻力系数的波动幅度明显降低,有效减弱了升阻力的周期性振荡;虽然时均升力和时均阻力受射流的影响有下降趋势,但升阻比呈上升趋势,水翼升阻比由无射流孔时的6.11增加到射流比为0.3时的7.06,布置射流孔还起到了减阻的作用.     

轴流泵叶轮的三维多参数设计及试验

为解决南水北调某泵站改造工程中轴流泵的设计问题,利用BladeGen软件进行了轴流泵叶轮的三维多参数设计,建立了轴流泵全流道模型并进行结构化网格划分、数值模拟和试验验证,分析了不同叶轮参数对轴流泵外特性的影响,并对影响较大的参数即翼型中心线角度方程的3种方案进行了叶片压力和流速分布对比分析及空化性能分析.计算结果表明:通过对比,最终确定叶轮选取方案6,即轮毂比为0.40,叶片轮缘截面中心点处厚度为10 mm,叶片翼型B;该轴流泵在设计流量工况下,扬程为4.90 m,装置效率为79.76%,叶轮效率为92.19%,符合设计要求,且与试验结果基本一致;利用BladeGen软件可对轴流泵叶轮进行较为精确的三维化设计,可减小原始叶轮设计及优化过程中反复建模的工作量,提高了轴流泵叶轮优化的效率.     

鱼友好型轴流泵流场数值分析与汽蚀性能优化

为了提高鱼友好型设计造成的轴流泵汽蚀性能下降,通过实验对比验证了采用ANSYS CFX数值预测原型泵及鱼友好型泵汽蚀性能的可行性,得到经过鱼友好型设计后,原型泵许用空化余量(性能参数下降3%)数值计算结果由3.5 m增加到9 m,难以满足使用要求。通过分析鱼友好型泵的内部流场特性,揭示了轮毂处涡旋的产生机理以及叶片进口冲角过大的原因,由此设计出抑制涡旋产生、更加符合流动特性的叶片截面翼型,并修正部分设计参数。数值计算结果表明:优化后泵内部流场流动平稳,翼型头部液流过渡良好,没有局部速度增量产生,轮毂侧流动贴合叶片表面,在吸力面也没有产生涡旋,鱼友好型泵的装置许用空化余量预测值降低到3 m左右,完全满足原型泵的使用要求。