S809风力机专用翼型低雷诺数气动特性实验研究

采用表面压力测量系统,在小型回流式低速风洞中开展了S809风力机专用翼型的低雷诺数(Re5×10~5)气动特性实验研究,获得了自由和固定转捩条件下不同雷诺数的压差升、阻力和表面压力分布特性。将为小型风力机叶片设计及相关研究提供数据支撑,并填补了该翼型低雷诺数气动特性数据的空白。     

水平轴风力机专用翼型族设计

本文采用正问题方法设计了适用于我国风况的风力机专用翼型族CAS-W1-XXX系列。包括最大相对厚度为15%～60%的11个不同厚度,适用于叶片根部到叶尖所有部分,设计雷诺数为3000000。设计中选择NUMECA软件中的AUTOBLADE模块进行翼型的几何造型,使用XFOIL进行翼型的气动持性和几何持性分析。通过XFOIL对设计结果进行分析得出CAS-W1-XXX翼型族具有良好的气动持性,前缘粗糙不敏感性以及良好的几何兼容性。     

水平轴风力机叶片气动性能研究

以动量-叶素理论为基础建立了水平轴风力机叶片气动计算模型,同时考虑叶尖损失、叶根损失及失速状态下动量理论的失效对动量-叶素理论进行修正,通过对NREL10 m风力机叶片进行气动性能计算,通过与实验数据的对比,探讨模型的准确性.     

水平轴风力机专用翼型族试验分析及优化设计

对水平轴风力机专用翼型族—CAS-W1-XXX薄翼型族试验结果进行了分析,并将其与国外同等厚度翼型进行对比。试验结果表明,与国外同等厚度翼型相比CAS-W1-XXX薄翼型具有良好的前缘粗糙不敏感性、高的最大升力系数、设计升力系数和良好的失速特性。为进一步提高翼型的气动特性,在试验结果的基础上对CAS-W1-XXX薄翼型族进行再次优化。根据XFOIL计算结果,优化后翼型的最大升阻比得到提高,并且与DU翼型相比具有良好的气动特性。同时对CAS-W1-XXX厚翼型中出现的小攻角失速现象进行了优化改进。     

基于FlowVision的水平轴风力机偏航气动性能研究

为了能够准确的分析偏航条件下风力机的气动性能变化规律,本文应用FlowVision模拟了轴向来流和偏航下水平轴风力机气动性能的变化规律,并以TJ(?)EREBORG风力机为例进行验证,确认了数值分析的可靠性;在偏航风速条件下,数值计算结果可以很好地反映偏航下气动特征,偏航导致叶片气动性能和载荷分布的周期性波动,波动趋势近似余弦曲线,尾迹存在较为明显的偏斜现象。     

水平轴风力机动态来流条件下翼型气动特性的数值分析

动态来流条件下,水平轴风力机的功率输出可增加30%～50%.本文通过量纲分析,确定影响水平轴风力机翼型动态来流条件下气动特性的主要参数为特征频率fr和雷诺数Re.运用CFD方法对NREL S825翼型在不同fr数和Re数条件下,进行了气动特性的对比.结果表明在动态来流条件下,低Re数对翼型特性影响较小,而fr数是影响翼型性能的关键.     

风力机专用翼型的反设计

本文根据翼型表面压力分布对边界层的影响,分析翼型表面压力分布的特点,以XFOIL计算软件为设计平台,采用其中的混合反设计模块,通过合理改变翼型表面的速度分布来得到气动特性满意的翼型。所设计的翼型主要要求具有高的设计升力系数、高的最大升阻比、良好的前缘粗糙不敏感性及和缓的失速特性。在提高设计升力系数的同时限制最大升力系数,以减小两者的差值,减小叶片的极限载荷。经计算分析,采用反设计优化得到的翼型与DU翼型相比具有很好气动特性。     

基于振动性能优化的风力机叶片设计

风轮是风力机最重要的部件之一,设计良好的风轮是风力机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础.本文应用Wilson气动理论设计了 100 W 水平轴风力机叶片,并兼顾振动性能对设计参数进行修正.对设计的风轮进行了模态实验和气动外特性实验,实验结果表明,所设计的风力机在低风速时基本能够达到设计的风能利用系数,并使得风力机在运行时避开转速共振区,延长风轮寿命,从而降低设计成本.     

波状前缘对风力机翼型失速性能影响数值分析

为研究仿生波状前缘对翼型失速性能的影响,本文采用S-A湍流模型,对风力机翼型NACA634-021(光滑前缘)以及对应的正弦波状前缘仿生翼型的绕流流场进行了数值模拟。结果表明,光滑翼型在20°攻角附近发生深度失速,升力系数骤然下降;而波状前缘仿生翼型有效改善了失速特性,升力系数变化较平稳,在大攻角下高于光滑翼型。通过流场分析发现光滑翼型失速前后升力系数骤然下降的主要原因在于前缘压力面和吸力面的压差大幅度下降,而仿生翼型改变了前缘的压力分布特性,进而改变了大攻角下的分离特性,促进流向涡对的产生和发展,使得凸峰附近保持附着流动,进而提高升力。     

湍流强度对风力机翼型气动性能的影响

本文通过采用Transition-SST湍流模型对UMY02-T01-26风电机组专用翼型绕流流场的数值计算,探究了湍流强度对风力机翼型气动性能的影响。结果表明,随着湍流强度的提高,翼型升力系数由前缘失速转变为混合失速。在一定的攻角范围内,升力系数略有增大。对于攻角处于升力系数非线性增长区域范围内,湍流强度的增大导致翼型壁面最大负压值增大。当湍流强度变化时,其壁面上出现层流分离泡的位置大小随之发生变化。此外,本文通过流场分析进一步确定了层流分离泡的产生与变化。     

等厚薄板翼型的气动力特性研究

本文从吹风实验及数据分析两方面来研究等厚薄板翼型的气动力特性。在实验中对单园弧、双圆弧、抛物线三种类型的薄板翼型进行了孤立翼型的吹风试验，得出了各翼型升力系数，阻力系数随冲角变化的结果。然后利用非交错网格下的ＳＩＭＰＬＥ方法，计算了等厚薄板翼型流场，计算结果和实验结果吻合较好。     

水平轴风力机结构动力学分析

本文以水平轴风力机为研究对象,基于动量-叶素理论和广义坐标系下的多自由度拉格朗日方程,利用模态分析方法建立了风轮、机舱和塔架耦合系统的运动方程,并用FORTRAN语言编制仿真程序.对风力机Turbowinds T600-48的固有频率和动态响应特性进行计算,并与实验数据对比分析,初步结果表明该程序的有效性.     

5MW大型风力机气动特性计算及分析

分别采用BEM和CFD方法对NREL 5 MW风力机的气动特性进行计算,通过分析不同风速下各气动参数的变化规律,揭示了大型变速变桨风力机的功率特性和载荷特性。两种计算结果的详细对比和分析表明,高风速时由于雷诺数大幅增加,BEM方法计算的功率和载荷偏大,在采用BEM方法进行大型风力机的气动设计和校核时,应当考虑雷诺数的影响。同时,失速延迟修正和叶尖损失修正模型在高风速时有较大误差,有必要深入验证传统的修正模型在大型风力机上的适用性。     

风力机叶片21%相对厚度翼型粗糙敏感性研究

基于变速变桨水平轴风力机,依据动量叶素理论和风力机实例,分析得出了叶片外侧翼型(包括21%相对厚度翼型)在低于额定风速变速运行阶段的粗糙敏感性评价指标为升力系数和升阻比的下降率;提出了根据升、阻力系数对输出功率的作用大小来确定两粗糙敏感性评价指标权重系数的方法,并用实例演示了21%相对厚度翼型粗糙敏感性评判基准的获得;另外,通过正交设计、XFOIL软件几何造型与气动计算和方差分析得出了翼型各几何参数在不同雷诺数下对粗糙敏感性不同评价指标的影响程度和最优组合是不一样的。本文结论可为不同风况下风力机翼型的设计和粗糙敏感性评价提供参考。     

结冰对风力机叶片影响的数值研究

本文利用商用CFD软件Numeca针对NREL Phase VI风轮结冰前后进行数值计算,计算包含风速由5 m/s至17 m/s区间各典型工况,并对计算结果进行了气动参数和载荷等相关分析。由此得出结论:结冰可以带来最高达51%的功率损失,同时会使风力机提前失速以及提高了启动风速等;结冰会导致在较高风速下叶根挥舞弯矩急剧增大从而增大叶片叶根强度要求;另一方面由叶片沿展向载荷分布得出结冰对整机影响主要集中在大于90%叶展的外侧区域,该区域是除冰防冰系统主要作用区域。     

随机粗糙度对风力机翼型气动性能影响

建立人工神经网络、径向基函数网络和支持向量回归机三种近似模型,结合蒙特卡洛方法与表征粗糙度参数随机特性的概率模型对风力机翼型气动性能进行不确定性分析。结果表明,支持向量回归机具有最佳预测精度。对于风力机翼型FX 63-137,最大升力系数对吸力面前缘粗糙度的敏感性明显高于压力面;对于吸力面或压力面,前缘粗糙带厚度对最大升力系数的影响稍大于其覆盖长度的影响。研究工作为风力机翼型的鲁棒性设计优化奠定了理论基础。     

基于进化算法和复合参数化方法的低速翼型优化

针对设计工况为Re=1×106的翼型在2°和8°两种迎角下的气动性能进行综合优化, 提升其在巡航与起飞着陆时的性能。利用气动估算软件Xfoil结合NACA 4位数参数化方法进行翼型初步优化, 缩小优化空间, 减少计算量。通过求解Reynolds平均Navier-Stokes方程的方式进行精确优化, 最后利用Hicks-Henne形函数法对翼型表面施加扰动进行细节优化, 弥补NACA 4位数参数化方法细节表现不足的缺点。实现了2°和8°两种迎角下气动性能普遍提升20%以上的效果, 并发展了一种复合参数化方法下基于改进进化算法的多目标、多步骤气动优化方法。      

垂直轴风力机叶片表面结冰的风洞试验

为研究垂直轴风力机叶片表面结冰的规律以及结冰对其性能的影响,对采用NACA0018翼型的风力机叶片进行了风洞结冰试验研究。在风洞试验段内安装了喷水装置,室外的寒冷空气被吸入风洞后与过冷水滴一起吹向叶片并碰撞结冰。测试了不同水滴流量和叶片攻角下的叶表结冰分布及叶片的升阻力系数变化。在一定攻角范围内,叶表结冰量随翼型迎风面积增加而增加;结冰后的阻力系数增大,升力系数减小,叶片的气动特性降低。