风力机叶尖涡特性及其控制

通过数值模拟研究了风力机叶片尖部尾涡强度和控制方法。在叶片尖部设计了不同倾斜角的漩涡扩散器来控制叶尖涡,分析了风力机叶片尖部漩涡特征和叶片表面压力分布情况。同时,研究了叶尖涡强度随风轮尖速比变化规律。研究结果表明,叶尖涡扩散器能够提高叶尖涡涡核的总压,削弱其漩涡强度。在粘性作用下,风力机尾流漩涡耗散更快,可有效地削弱翼尖尾涡的强度,提高叶片效率。     

三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟

通过粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)测量和定常计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟相结合的方法,对某三维旋转水平轴风力机模型的流场展开研究。在风洞开口实验段,来流风速为8m/s,针对不同尖速比(λ=4,8)利用PIV技术对风力机叶片的瞬时速度场进行测试。通过定常CFD数值模拟,获得了风力机叶片在相应工况下的流场细节。在8m/s来流风速下,当尖速比大于7.4时,试验测得的风轮扭矩和风能利用率与数值模拟结果趋于一致。尖速比小于7.4时,试验测得的扭矩值低于计算值,其风能利用效率也较低。通过速度矢量分布可以看出,在λ=4时,PIV测得靠近叶根的两个截面S1,S2在叶背有明显的流动分离,CFD结果中仅在S1截面叶背存在流动分离,S2截面叶背存在低速区。在λ=9.8时,PIV和CFD结果均显示叶片绕流流场没有流动分离。尝试采用Gamma Theta转捩模型进行了数值模拟,在考虑了层流影响后,计算所得风轮扭矩更加接近试验值。     

利用自然低温的旋转叶片结冰风洞试验系统设计

为开展风力机旋转叶片结冰风洞试验研究,设计了一种利用寒冷地区自然低温环境的具有可变截面试验段的结冰风洞试验系统。该系统在原有常规结冰风洞的基础上改进了试验段,设置了喷雾区与非喷雾区,风力机叶片实验台可设置在非喷雾区内,而旋转叶片在转至喷雾区时进行结冰测试。为测试该系统的各项参数以及研究系统的可行性,对该试验系统的3个主要环境变量:试验段速度分布、温度分布和液态水含量分布进行了测试和标定。在此基础上,进行了绕轴旋转圆柱和叶片段的结冰试验,对2个系统下的无因次结冰面积及结冰形状进行了对比分析。结果显示该系统各项参数稳定,利用2个系统得到的结冰形状相似度高,结冰面积一致性较好,表明该系统可用于进行旋转机械结冰风洞试验研究。     

具有阻力风杯结构的垂直轴风力机启动特性试验研究

为改善直线翼垂直轴风力机（SB-VAWT）的启动特性,在两叶片SB-VAWT内部安装了阻力风杯结构。为探明阻力风杯结构对两叶片SB-VAWT风力机静态启动特性的影响规律,对具有阻力风杯结构的垂直轴风力机（DS-VAWT）和两叶片SB-VAWT进行了转矩测量风洞试验和PIV可视化试验。结果表明:阻力风杯结构对SB-VAWT的风轮内部气流流动规律产生了显著影响。在一些方位角下,阻力风杯结构对SB-VAWT升力叶片尾部的流动分离现象改善明显,旋涡减弱,降低了能量损耗;在一个旋转周期中,阻力风杯结构的存在也产生了作用于风轮转轴的扭矩,因此具有阻力风杯结构的垂直轴风力机的静态启动力矩要高于无阻力风杯结构的情况。     

风力机叶片表面压力分布测量

本文给出了一个直径为5.35米的水平轴风力机在中国空气动力研究与发展中心12米×16米风洞试验段中进行的叶片表面压力分布的测量结果。在 Re 数从4×10~5至1.2×10~6的范围内,测量了叶片上八个剖面的压力分布。同时还用内式六分量天平测量了风轮的推力和功率。试验结果表明:风轮叶片根部处的载荷高于理论计算值,而叶尖处的载荷则低于理论计算值;叶素-动量理论对风轮最大功率预估偏低,而在高叶尖速比下,它对风轮的功率和推力预估偏高。测压试验结果与测力试验结果符合一致。     

叶片翼型结冰形态及其气动特性

针对风力机叶片翼型形状对结冰过程的影响及其导致的气动特性变化问题,采用欧拉法及热传质原理构建叶片结冰过程的数学模型并进行数值模拟分析。以NH02系列翼型族为例,建立翼型曲率特征模型,研究叶片关键参数如最大厚度对结冰量的影响机制,预测了某翼型在不同工况下的冰形及位置,探究了干净与结冰翼型的升、阻力特性变化规律。结果表明,结冰量与叶片的相对厚度及最大相对厚度所在位置呈正相关性;结冰导致升力系数变化范围为5%～20%,阻力系数为干净翼型的1.4～2.45倍;结冰致使翼型失速迎角变小,翼型提前进入失速状态。     

利用自然低温的风力机结冰风洞实验系统设计

为研究风力机叶片的结冰特性与防除冰方法,设计了一种简便、低成本的结冰风洞实验系统。利用北方冬季的自然低温条件,将常规的开口射流风洞加以改造,安装水雾喷射系统和结冰测试段以提供结冰环境条件。在冬季进行了结冰验证实验,对结冰风洞的3个主要参数:温度稳定性、液态水含量和过冷水滴平均直径进行了测试和标定。结果表明,在环境温度相对稳定的冬季时间段内,主要指标可在一定程度上满足风力机结冰实验要求。     

对称翼型前缘积冰粘结强度试验研究（英文）

当飞机在寒冷潮湿的环境中飞行时，机翼前缘有时会出现结冰现象威胁飞行安全。为了发展防冰和除冰技术，有必要对叶片翼型表面覆冰的粘结特性进行研究。本文设计并搭建了叶片翼型覆冰粘结力测量系统，提出了叶片翼型覆冰粘结强度的评估方法，记录和测量了不同条件下NACA0018翼型叶片段上的结冰分布和粘结强度。试验结果表明，结冰时间对冰粘结强度的影响较小。随着环境温度降低，叶片翼型表面冰粘结强度增加，但增长速率减小。此外，随着风速增加，叶片翼型表面冰粘结强度降低。本研究结果为深入探索叶片翼型覆冰粘结机理提供了参考。     

直升机旋翼结冰后的飞行品质

研究了旋翼结冰后直升机飞行品质分析模型的建立方法,该方法通过引入结冰参数,计算结冰后桨叶翼型升阻力系教增量,建立旋翼结冰模型.并以系数增量形式计入结冰对旋翼力、力矩和旋翼挥舞模型的影响,建立结冰后飞行动力学模型.基于线性小扰动理论,进一步建立结冰后直升机飞行品质分析模型.根据军用旋翼飞行器驾驶品质要求(ADS-33E-PRF),研究了旋翼结冰对直升机开环状态下飞行品质的影响.按照品质规范要求,主要分析了结冰时间、环境温度、液态水含量和平均水滴直径的变化对直升机姿态敏捷性、轴间耦合特性、垂直轴操纵功效和横向突风扰动的影响.计算结果的对比分析显示,直升机旋翼结冰后的飞行品质模型合理,可以用来进行工程应用上的定性分析.     

风力机叶片的全局表面摩擦力测量的荧光油膜法

表面摩擦力是分析和预测风力机叶片气动特性的重要途径之一。为了实现风力机叶片全局表面摩擦力测量,获得流动在叶片上的拓扑结构,理解相关流动机理,引入了荧光油膜测量技术,给出了荧光油膜在表面摩擦力作用下的演化模型,并讨论了该演化模型的求解方法。为了验证该方法在风力机叶片上运用的可行性,设计了一个简化实验。实验中以平板代替具有三维弧面的叶片,并采用不同角度的倾斜射流冲击给定平板,以获得不同摩擦场。实验结果与E M Sparrow和B J Jovell给出的测试数据一致,这意味着基于荧光油膜的全局表面摩擦力测量方法具有测量风力机叶片上全局表面摩擦力的潜力。     

气动除冰飞机结冰风洞试验技术

民用飞机为获得型号合格证,应按照有关结冰适航规章条款进行结冰适航验证,结冰风洞试验是获取临界冰形的有效途径。本文以Y12F飞机结冰风洞试验实际工程过程为例,总结与分析了气动除冰飞机结冰风洞试验的模型设计、气动除冰套模拟、试验状态转换、试验流程、冰形测量等关键技术,并给出代表性试验结果。试验结果表明:在典型最大结冰条件下,除冰套工作正常,除冰套循环工作期间正常除冰;除冰套工作间歇,机翼前缘结冰表现为前缘形成较为光滑、厚度约为5~6mm的冰帽,上翼面产生1道高度为3~4mm的冰脊,下翼面形成3道2~4mm的冰脊。     

直升机旋翼模型结冰风洞试验技术

为满足我国直升机旋翼结冰风洞试验需求,中国空气动力研究与发展中心在大型多功能结冰风洞研制了直升机旋翼模型结冰试验系统,发展了旋翼模型结冰风洞试验方法和数据采集与处理方法,规范了结冰试验的流程,能够安全可靠地开展旋翼模型结冰试验研究.通过开展国内首次直升机旋翼模型结冰风洞试验,研究了典型工况下旋翼模型的结冰特性,获得了结...     

端墙形状对蒸汽涡轮效率的影响(英文)

运用CFD数值计算和平面叶栅的吹风试验对蒸汽涡轮导向叶片的端墙效应进行了研究,并在一试验蒸汽涡轮上得到了验证。由于本文研究给出了较高的效率,进一步实施了大量的三维数值模拟,该结果显示使用这一叶型对涡轮有一定的改善,尤其在涡轮叶片尖部有端墙时。在试验蒸汽涡轮上测量了尖部、根部均有端墙和仅尖部有端墙的不同效应,结果表明尖部有端墙时效率有所提高,然而当叶片有直端墙时,效率反而会下降。     

模拟叶尖间隙流的转动平面叶栅实验方案

通过对动叶叶尖进口端壁附面层的性状分析指出：采用平面叶栅模拟动叶叶尖间隙流时，端壁面静止和仅有端壁面运动进口端壁附面层与真实情况存在较大差异。根据转子静止、静子转动这一相对运动思想研制出动叶叶尖间隙流实验台。通过对叶尖附近叶片表面静压分布和间隙泄漏流量实验测量表明：端壁面与叶片之间的相对运动、进口端壁附面层内速度分布是对叶尖间隙流有重要影响的因素。     

基于自由涡尾迹法和面元法全耦合风力机气动特性计算

风力机气动特性主要由叶片贡献,但是处在流场下游的机身(包括机舱和塔架)对其也会产生影响。基于自由涡尾迹方法与面元法,得到了一个较为完备的风力机叶片与机身气动干扰的迭代计算方法。在该方法中,叶片用位于1/4弦线的一根升力涡线代替,结合叶片尾缘拖出的涡线建立自由涡尾迹模型,机身绕流模拟采用了一阶面元方法,将自由涡尾迹方法和面元法耦合模拟风力机主要气动特性。最后用该分析方法计算了NREL phaseVI风力机的气动特性,与实验结果进行比较和分析,验证了全耦合模型的有效性。     

Numerical Study on Ridge Ice Accretion and Its Effect Under Thermal Ice Protection

Under the condition of thermal anti-icing,the liquid water on the leading edge of the airfoil that would flow to the downstream non-protective zone will produce ridge ice,thus endangering flight safety.Based on the existing three-dimensional(3 D)icing model which considers the water film flow on the ice layer,an icing model with thermal boundary condition is introduced.With the boundary conditions of none anti-icing and thermal anti-icing,glaze ice accretion and ridge ice accretion are simulated on a simplified airfoil of unmanned aerial vehicle(UAV),and then the lift coefficient and drag coefficient are calculated and compared with the smooth airfoil under the same conditions.The results show that the lift-drag ratio obviously decreases after glaze ice occurred on the leading edge under the condition of none anti-icing;and that after setting the condition of anti-icing heat flux in the impingement area,the glaze ice on the leading edge becomes thinner and the ridge ice occurs in the non-protective zone,so the airfoil with this icing characteristic gets a lower lift-drag ratio.     

小型水平轴风力机调速特性的实验研究

对小型水平轴可变桨距风力机调速特性的大量风洞实验结果进行了分析，并结合理论予以讨论，研究了各有关参数对风轮调速特性的影响。结果表明，要使风轮得到理相怕调速效果，必须综合考虑调速机构参数和叶片的设计，只要设计适当，在大于额定风速后，具有螺旋槽变距机构的小型水平轴风力机的速的眯化可以基本保持额定转速不变，得到相当宽的工作风速范围。