水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素，通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应，但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性，基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型，以NREL 5MW风力机为研究对象，在额定风速条件下，研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上，对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明：风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大，同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小，并加快速度亏损恢复，降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果，使得尾流抬升，作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著，而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。     

三维旋转效应对桨叶气动特性影响的计算

在旋转的作用下,流动分离向下游延迟,结果大大改变了风力机桨叶的气动特性,这种由旋转所带来的影响被称为三维旋转效应。本文以桨叶表面边界层理论分析的结果为基础,给出了三维旋转效应对气流分离影响的解析关系,将其与非定常气动和动态失速模型相结合,并适当考虑旋转条件下桨叶翼型载荷的分布特性,使其能计算三维旋转效应下风力机桨叶的非定常气动特性.通过算例表明,当这一三维旋转效应模型与非定常动态失速模型耦合后再计算桨叶非定常气动特性时,能大大改善计算结果。     

风力机叶片旋转平面内弯曲对动力学响应的影响

采用变分渐近梁截面分析方法(VABS)精确计算旋转平面内弯曲的复合材料叶片截面特性,耦合空间一维Euler-Bernoulli梁模型,分析了不同弯曲幅度对考虑弯扭耦合特性的风力机叶片动力学性能的影响。并采用非定常叶素动量理论,考虑动态入流和动态失速模型求解叶片的气动载荷,分析了叶片前掠和后掠在相同控制策略时各风速下对气动功率的影响,以及在极端阵风条件下的气动弹性响应情况。结果表明叶片弯曲对截面特性和前几阶的固有频率的影响较小,但在扭转方向具有较大影响。同时在相同控制策略下,叶片后掠会使风力机的功率降低,但能有效降低极端阵风下的载荷波动。     

水平轴风力机主动尾流控制综述

对于大型风电场而言,由尾流干扰引起的产能损失最高可达30%～40%。主动尾流控制（AWC）技术通过上游风力机的偏航来诱导尾流侧向偏转,以减弱对后排风力机的尾流干扰、增加风电场的总产能,应用前景极其广阔。本文从无偏航风力机尾流模型、偏航风力机尾流模型、多风力机尾流叠加方法和风电场产能优化四个角度,综述了AWC技术在过去近20年的研究进展,并对该技术走向工程应用中所亟需解决的问题进行了展望。整体来看,该项技术已经基本成熟。研究人员从最初的理论、仿真和风洞实验研究,走向了实际风电场的效果验证。在理论预测层面,高斯尾流亏损模型、基于旋涡诱导横向速度的一次和二次尾流偏转模型、具备动量守恒特性的尾流叠加方法正在成为风电场产能预测的标配。实际工程应用层面,风力机间距、排数、湍流度、大气边界层热稳定性、风向和风速变化均会影响AWC所带来的产能收益;典型条件下,应用AWC技术后,全尾流干扰风向上的风电场产能可提高约5%～15%,各个风向平均后的年均收益约为1%～3%。     

风-浪-舰耦合对舰船尾流场及直升机气动的影响

为研究波浪和舰船运动对高海况下舰载直升机起降的影响，建立了一套耦合风-浪-舰和直升机的多相流数值模拟方法。使用动态流体作用模拟舰船运动，采用动量源方法模拟直升机旋翼，对3～6级海况下ONRT舰船摇荡运动时的尾流场非定常气动特性进行了研究，并计算了UH-60A直升机旋翼气动载荷的时间历程。研究表明：6级海况下流场速度分量和旋翼气动载荷的波动达到5级海况的2倍，而3～5级海况之间的差别较小；悬停跟进时直升机不断出没于舰船运动导致的尾流中速度和涡量不同的区域，使得旋翼气动载荷有极强的非定常特性；在6级海况下，旋翼拉力与波浪-舰船耦合运动同周期的波动达到20%,并伴随着穿越尾流剪切层时产生的5～10 Hz的小扰动。     

基于非定常面元/黏性涡粒子混合法的旋翼/平尾非定常气动干扰

旋翼/平尾非定常气动干扰是导致直升机纵向“抬头（Pitch-up）”现象的主要原因。为在直升机设计阶段准确分析旋翼/平尾非定常气动干扰以及由此引起的低速纵向操纵特性变化,通过涡量等效原则和Neumann物面边界条件建立了适用于旋翼/平尾气动干扰分析的非定常面元/黏性涡粒子混合法。该方法耦合了考虑尾迹时变效应的非定常面元法、黏性涡粒子法及涡量镜面法,以准确模拟旋翼和平尾的非定常气动载荷、旋翼尾迹的非定常特性以及旋翼尾迹对平尾的气动干扰效应。首先通过计算NASA ROBIN（Rotor Body Interaction）旋翼尾迹几何和诱导速度分布,并与实验测量值、时间精确自由尾迹及CFD计算结果对比验证方法的准确性。相比于时间精确自由尾迹,本文方法计算精度更高。随后分析了旋翼/平尾非定常气动干扰对平尾向下气动载荷和气动导数的影响,并分析了平尾构型对旋翼/平尾非定常气动干扰的影响规律。分析表明：旋翼尾迹与平尾干扰导致低速状态的平尾载荷突增,气动导数反号;低平尾气动载荷突增较大,高平尾较小,但高速气动导数反号;前置平尾载荷突增量减小,但对应速度范围较宽;右旋直升机右平尾载荷突增量较小,但气动导数特性基本不变。     

基于粗糙度敏感性研究的风力机专用翼型设计

对几个具有代表性的风力机常用翼型的几何特性和气动特性进行分析研究,详细探讨了各种翼型的前缘粗糙度敏感特性情况。基于一种新的翼型几何形状表征形式,以设计攻角工况下光滑条件和粗糙条件下的升阻比加权值为目标,优化设计得到了一种相对厚度为24.7%的风力机专用新翼型。对新翼型在主要工作攻角范围的升力特性、阻力特性及升阻比特性进行了研究,并详细分析了新翼型在不同工况下的气动特性情况,研究结果表明:新翼型具有低前缘粗糙度敏感性和低湍流敏感性;在设计和非设计运行工况下都具有很好的气动性能;雷诺数的升高和三维旋转效应对风轮叶片新翼型的气动特性具有促进作用。     

临近空间太阳能飞行器着陆状态阵风响应

对临近空间太阳能飞行器着陆状态时的阵风响应问题开展了数值模拟研究。针对该类飞行器质量轻、柔性大、降落时速度低的特点,基于 CFD/CSD松耦合分析法,利用网格速度法引入阵风载荷。以 1-cos阵风模型为基础,探讨了飞行器着陆状态遭遇二维阵风载荷时,其翼尖位移、扭转角、翼根所受结构整体弯矩以及升力系数的变化特性;并将二维阵风响应结果与一维阵风响应结果进行对比;获得了临近空间太阳能飞行器着陆时,二维阵风沿飞行器翼展方向的变化对其结构和气动性能的影响规律。     

基于直接力控制的阵风响应及阵风减缓研究

考察某无人机模型的阵风气动响应特性和基于直接力操纵的阵风减缓效果.在求解非定常Euler方程时引入“网格速度”方法模拟阵风边界条件,通过动态嵌套网格技术实现舵面运动.首先对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了验证计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好.在此基础上对某无人机模型在迎角阶跃型、One-minus-cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了数值模拟,并分析评估了不同舵面运动方式对飞机气动性能的影响.最终研究比较了不同舵面运动方式下阵风气动响应的减缓效果.结果表明:通过合理设计舵面运动,可以有效达到抑制阵风引起的非定常气动干扰的目的.     

弹性飞机跨声速机动载荷计算方法

基于跨声速非定常气动力求解的重叠场源法,开展了弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究,为现代飞机结构强度设计提供更加可靠和精确的临界载荷计算方法。首先通过采用重叠场源法求解关于62%根弦俯仰振荡的LANN机翼在马赫数为0.822的非定常气动力并与实验结果进行对比,验证了重叠场源法对跨声速激波效应预测和非定常气动力计算的能力;其次应用频域气动力有理近似技术拟合场源法计算得到的广义气动力系数矩阵,建立了机动载荷分析的状态空间模型;然后完成了某型民用飞机俯仰机动载荷分析,研究了俯仰机动飞行情况下飞机机体状态量及飞机部件载荷响应规律。计算结果表明：考虑机体弹性变形后,机翼和平尾气动载荷响应最大值分别减小了5.1%和10.6%,升降舵气动载荷响应最大值增大了16.2%,在飞机结构强度设计中必须考虑机体弹性效应对飞机部件载荷的影响。     

直升机机身干扰对旋翼气动与噪声特性影响研究

本文采用基于CFD/FW-H的旋翼气动/噪声计算模型,针对悬停及中小速度前飞时,考虑机身对旋翼涡流场、非定常气动载荷和噪声特性的干扰影响,开展了直升机机身干扰状态下的旋翼气动和噪声特性数值计算分析研究,获得了不同飞行状态下,机身对旋翼涡流场、气动力和噪声特性的影响规律.计算结果表明,机身对旋翼气动力的影响主要存在于0°...     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

飞行器阵风响应的CFD-6DOF仿真分析

飞行器在大气中飞行,不可避免地受到阵风的影响。阵风所附加的气动载荷引发飞行器飞行状态的改变,过大幅值的阵风影响飞行的性能与安全。针对这种状况,首先采用改进的Lamb-Ossen涡模型,建立尾涡形式的阵风场;然后采用基于CFD技术的非定常N-S方程求解,并在计算网格中引入"网格速度"来模拟阵风,对SWIM(Subsonic Wall Interference Model)尾涡中的定常气动特性进行验证;最后通过CFD-6DOF的耦合,对SWIM俯冲穿越尾涡场的飞行轨迹进行研究。结果表明:计算结果与实验值符合较好;SWIM在尾涡中飞行时出现抖动、下沉、改变飞行状态、剧烈翻转的现象,与实际飞行器进入尾涡中的轨迹特性类似。     

直线翼垂直轴风力机气动特性研究综述

直线翼垂直轴风力机是当前升力型垂直轴风力机的典型代表,凭借着无需对风、结构简单、造型独特等优点在中小型风能利用领域受到越来越多的关注。但由于其气动特性复杂,且研究时间相对较短,尚有许多问题需要研究,还有很广阔的发展空间。本文以直线翼垂直轴风力机的气动特性研究为对象,介绍了风力机气动特性研究历程、研究现状、主要工作原理,及气动特性分析理论、常用的研究方法,尤其是对如何改善直线翼垂直轴风力机在低风速下的起动特性问题和高转速下的气动特性发挥问题的国内外研究进展进行了分析和总结,并对今后的研究趋势进行了展望。     

基于致动线方法的风力机气动数值模拟

致动线方法是通过引入体积力代替叶片的致动线技术与三维Navier-Stokes方程相结合来获得风力机周围流场信息的一种方法。该方法避免了花费大量网格与计算资源去求解风力机叶片的附面层,从而可以把更多的网格与计算资源用于风力机尾流流场的模拟,非常适合用于风力机尾流流场的研究。以NH1500叶片为计算模型,从叶片载荷分布和功率系数两个方面,将引入高斯分布的致动线方法的数值模拟结果与BEM理论、CFD方法以及风洞实验进行了系统的比较,验证致动线方法用于风力机气动数值模拟的可行性,并且对致动线方法计算出的尾流流场进行简要的分析。     

飞机外翼段大尺度剪切式变后掠设计与分析

飞机大尺度全局变形过程中存在诸多需要研究的基础问题,为此构建了研究平台并开展了实验研究。基于飞行器机翼"旋转变后掠"与"剪切变后掠"的气动特性计算结果,设计了气动特性相对较优的飞机外翼段大尺度剪切式变后掠方式;研制了基于可控变形结构与连续变形规律的实验模型;进行了风洞实验研究。结果表明:本文研制的剪切式变后掠飞机在蒙皮、结构、驱动、控制等方面满足气动特性研究的需求;其准定常气动特性曲线显示出变后掠的较大气动效益;其非定常气动特性曲线呈现出滞回环,原因可能在于"机翼附加速度效应"和"流场结构迟滞效应"。     

基于广义动态尾迹理论的旋翼非定常气动特性分析

本文建立了一套时域下前飞旋翼非定常气动载荷的计算方法.考虑人流的非均匀性,采用"Peters-He"广义动态尾迹人流模型;为计人气流压缩性、动态特性对气动载荷幅值和相位的影响,翼型剖面升力使用Leishman-Beddoes二维非定常模型计算.为分析旋翼非定常气动特性,建立模型方程的状态空间形式,并采用四阶Runge-Kutta法求解,以提高计算效率.以美国H-34直升机前飞状态为算例,并将计算结果与飞行测试数据进行比较,验证了计算方法的有效性,在此基础上,进一步分析了诱导速度、迎角、升力分布随前进比的变化,以及不同桨叶气动外形(桨尖尖削、负扭转)对旋翼气动特性的影响,得出了一些有意义的结论.     

尾流撞击效应的一些探讨

通过采用外部声激励的方式,在低速轴流压气机内研究非定常尾流撞击效应对压气机流场结构以及时均气动性能的影响。主要包括:低速轴流压气机实验台的流场调试;流场的稳态、动态测量;实验数据的处理和分析。实验结果表明:当发生尾流撞击耦合效应时,压气机内部流动的时空结构以及时均气动性能均得到较大提高。      

考虑尾流效应的风力机组输出功率和疲劳性能模拟

上游风力机旋转引起的尾流效应会对下游风力机的输出功率和疲劳特性产生显著影响。本文选用美国国家可再生能源实验室开发的FAST.Farm开源程序,基于准稳态条件下雷诺平均Navier-Stokes薄剪力层近似解,研究了不同布局情况下处于尾流场风力机的功率特性和疲劳性能。结果表明,尾流场中平均风速与湍流强度的变化规律不一致。尾流场中风力机的输出功率与风速变化相对应,随着距离增加呈现单调增长的趋势。参考乌鲁木齐和西宁两地的实测风速概率分布曲线,确定了叶根和塔底位置的疲劳寿命。叶片在低风速区间,风速损失对疲劳性能的影响程度相比于湍流强度的影响更为明显。因此,对于水平面内不同布局,处于尾流场中的风力机的叶片疲劳性能有一定程度的改善,但在（X=4.0D,Y=0D）位置处疲劳寿命出现明显缩短。相比于叶片而言,水平面内不同位置（除Y=1.5D平面外）,塔底疲劳寿命均存在不同程度的衰减。上述结论可为大型风电场布局设计和优化布置提供理论依据和设计参考。     

滑动蒙皮变后掠无人机非定常气动特性研究

为了探索飞机变形过程中的非定常气动特性及其机理,基于滑动蒙皮变后掠无人机这一可变形飞行器大尺度全局变形研究平台,通过风洞实验对其进行了非定常气动特性研究。结果表明:无人机变后掠过程中非定常气动特性曲线在相应的准定常曲线周围形成滞回环;无人机变后掠速率越快,滞回效应越显著;无人机以约7.5°/s的速率变后掠,会使非定常气动特性数值偏离相应的准定常数值5%以上;变后掠无人机非定常气动特性产生的主要原因可能在于流场结构迟滞和机翼附加速度。