NS方程计算中耦合转捩自动判断的阻力精确计算方法初探

在Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程计算中耦合了流动转捩的自动判断以提高现有求解器预测翼型阻力的准确性.由RANS方程求得翼型表面压力分布作为层流边界层方程求解的输入参数,然后使用简化的eN-数据库转捩判断方法分析层流边界层的解得到转捩点的位置,这样随着流场的迭代求解求解器自动判断转捩点的位置.在对NLF0416翼型的气动性能计算中考虑流动转捩的因素后得到的翼型升阻力特性和实验吻合较好,验证了本文方法的正确性.     

转捩对风力机翼型和叶片失速特性影响的数值模拟

采用基于k-ωSST湍流模型的Gamma-Theta转捩模型对S809翼型和NREL Phase VI叶片进行了考虑转捩的气动力数值模拟,研究了转捩对其气动特性特别是失速特性的影响。首先对S809翼型在迎角0°～30°范围内开展了数值模拟,比较了转捩模拟和全湍流模拟获得的翼型升力系数和流场特征,发现前缘层流分离泡的存在显著影响了翼型的失速特性;然后对NREL Phase VI叶片开展了类似的数值模拟,结果显示转捩对叶片失速特性和翼型失速特性产生影响的作用方式是相似的。经过对以上数值模拟结果加以分析认为,转捩对翼型和叶片失速特性的影响主要通过前缘层流分离泡的作用体现出来,前缘层流分离泡的存在使翼型和叶片更早地进入深失速。     

垂直轴风力机翼型气动优化设计

对小型垂直轴风力机常用的NACA0015翼型进行优化设计,使其具有更优的气动性能。在优化过程中,利用CST参数化方法对翼型的几何外形进行扰动,选取翼型的厚度及弯度作为约束,翼型切向力系数作为目标函数,以基于非支配排序的遗传算法（NSGA－II）作为优化方法,最后建立优化流程,优化过程中利用XFOIL程序结合Viterna-Corrigan失速后模型计算优化前后翼型的气动性能。结果表明,与NACA0015翼型相比,优化后的翼型气动性能有了较大提升,最大升力系数提高了6．63％,最大升阻比提高了27．5％,最大切向力系数提高了22．7％。     

大厚度钝后缘翼型气动性能计算研究

大厚度钝后缘翼型由于其气动和结构的优点,近来被作为大型风力机叶片设计时的内侧翼型成为风力机翼型设计的热点之一EULL由于此类翼型厚度和风洞阻塞度的限制,大雷诺数的风洞实验数据很少。耦合RANS方程和基于线性稳定性分析EULL捩预测方法,进行了大厚度钝后缘翼型气动性能计算研究。使用Gridgen程序生成计算网格,湍流模型为S-A模型。对常用的钝后缘修形方式如直接截断、对称增加厚度等并且有风洞实验结果的几种翼型进行了CFD计算并和实验结果及文献计算结果进行了比较。结果表明升力系数在线性段,计算结果和实验结果吻合很好,但是对失速迎角的捕捉能力差;阻力系数计算结果和实验值吻合较好。不同修形方式的计算结果为钝后缘修形设计提供了参考。     

NS方程中耦合转捩判断的风力机翼型气动力数值模拟

在Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程计算中耦合Michel经验判据和Chen-Thy-son转捩模型对风力机翼型S809进行计算。由RANS方程求得翼型表面压力分布作为层流边界层方程求解的输入参数,然后使用Michel经验判据分析判断层流边界层的解得到转捩点的位置,使用Chen-Thyson转捩模型得到从层流到湍流的转捩过渡区,这样随着流场的迭代求解,求解器自动更新判断出转捩点位置。对S809翼型进行全湍流和耦合转捩判断的RANS方程计算,可以看到考虑转捩判断后得到的升阻力系数与实验值吻合较好,验证了方法的可行性。     

基于修正边界层转捩的翼型气动特性研究

边界层转捩是决定翼型流场特性的重要因素,因此在航空工程中开展边界层转捩研究具有重要意义.从转捩流动的物理特征出发,引人间歇函数对k-ω SST两方程湍流模型的Wilcox转捩模式进行了修正,进而对传统的NACA0012翼型的流场特性和气动性能进行了研究,并与原始边界层转捩的计算结果以及试验结果进行了比较.研究表明,改进后的模型对转捩位置具有较好的预测能力;在采用修正边界层转捩模型的情况下,翼型的阻力预测精度有了一定程度的提高.     

基于N-S方程和自由转捩预测耦合求解的钝后缘翼型气动性能计算

大厚度钝后缘翼型由于结构和气动性能上的优点,被用于作为大型风力机叶片设计的内侧翼型。而由于其大厚度的特点和风洞实验阻塞度的限制,大雷诺数的风洞实验数据很少,给此类翼型的设计和使用带来困难。本文基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和自由转捩预测耦合求解方法,进行了大厚度钝后缘翼型的气动性能计算研究;针对由于钝后缘后的涡脱落而造成的翼型表面压力分布的脉动,发展了有时均效应的转捩模型以考虑这种周期脉动的时均效应,并对传统的耦合求解方法进行了修改。通过对风力机翼型DU97-W-300的钝后缘改形DU97-Flat翼型的气动性能计算,分析了网格数对计算结果和计算效率的影响。并将计算的DU97-W-300翼型的气动性能和实验结果进行了比较,表明通过本文发展的耦合求解方法可以在更少的计算网格时得到比参考文献更吻合风洞实验结果的气动性能,为此类翼型的设计和使用提供数值计算基础。     

RANS方程和附面层方程耦合求解转捩位置的方法

研究了基于线性稳定性分析的RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程和附面层方程耦合求解转捩位置的方法。RANS方程计算得附面层外边界的速度分布作为附面层方程计算的输入,求解附面层方程得到稳定性分析需要的附面层参数。由于附面层的解在分离点处的奇异性,用交互式附面层方程求解方法。用基于线性稳定性分析的e^N方法计算转捩位置,并考虑了Tollmien-Schliching波和层流附面层分离造成的转捩。迭代求解RANS方程和附面层方程,直到转捩位置收敛。RANS求解中使用转捩过渡区模型,避免了点转捩模型引入的数值扰动。通过对NA-CA0012翼型的计算并和实验结果及Xfoil计算的结果进行比较,吻合较好,有较好的工程实用价值。     

基于响应面法的低速翼型气动优化设计

响应面方法相较于其它直接优化方法有其高效、实用的优势,此前的研究更多地将响应面方法用于超音速和跨音速翼型的减阻优化设计中。本文将此方法应用于低速翼型优化设计中,进行了基于RANS(Reynolds-Aver-aged Navier-Stokes)方程和自由转捩预测耦合求解的低速翼型气动优化设计。通过计算附面层方程得到附面层参数并用en方法计算转捩位置,并考虑了T-S波和层流分离造成的转捩。RANS方程计算中,使用了转捩过渡区模型,以保证附面层外边界压力分布的精度。RANS方程和转捩预测迭代进行至转捩位置收敛。在响应面模型计算中,使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型,减少了构造模型所需的计算量;合理的选择设计空间保证了构造的响应面模型具有较高的精度。使用三个设计点的多目标优化设计,保证了设计的合理性。通过对NACA64(1)-112翼型优化计算结果表明,本文的方法可以有效地进行低速翼型的气动优化,各设计点上转捩位置也得到了改善,有较好的工程实用前景。     

一种基于动模态分解的翼型流动转捩预测新方法

考虑自由转捩的定常/非定常流动Navier-Stokes方程数值求解,对于翼型流动细节的精确模拟和气动力的精确预测均具有十分重要的意义。采用动模态分解(DMD)方法进行流动稳定性分析,再结合e N方法,提出了一套适用于翼型绕流的转捩预测新方法,称为DMD/e N方法。相比于传统的线性稳定性分析方法,DMD方法不需要求解附面层方程和线性稳定性方程,也没有引入平行流假设,具有更好的理论适用性和算法鲁棒性。开展了NLF0416、S809和SD7003等翼型的转捩预测数值验证研究,通过与实验结果以及与传统的基于线性稳定性分析的e N方法的比较,验证了本文所发展的转捩预测新方法在预测翼型的定常流动和非定常流动转捩方面的正确性,也表明了该方法具有解决含层流分离泡的翼型绕流转捩预测的能力。     

一种新型风机翼型设计思路的探索研究

提出了一种新型风机叶片的翼型设计思想。通过在翼型上表面后缘附近设计一个凹坑,形成了一种稳定的驻涡流动,利用该驻涡的影响,与传统的Gurney襟翼联合作用下,提高翼型的气动性能。通过将该方法在瑞士FFA-W3-301风机翼型上的初步运用,数值模拟结果表明:所提出的新型翼型设计思路,不但可以在相同迎角下提高翼型的升力系数,而且可以将原来翼型的失速迎角从12°提高到18°,极大地扩大了翼型的迎角工作范围。是一种具有一定探索潜力的新思想。     

风力机翼型动态测压试验技术研究

结合国家高技术研究发展计划课题＂风力机先进翼型族的设计与试验研究＂,针对动态试验设备研制、数据采集和处理方法,在西北工业大学1.6m×3.0m低速翼型风洞（NF-3风洞）开展了风力机翼型动态测压试验技术的研究。采用S809风力机翼型模型,在雷诺数0.75×106和1.4×106、迎角-2°～＋18°条件下,通过改变模型3个平均迎角、3个振荡频率和2个振幅角等状态,进行了动态测压试验,并与静态测压及国外试验结果进行了对比。结果表明：NF-3风洞研制的试验设备,采用的数据采集和处理方法能够应用于风力机翼型的动态测压试验,并可推广应用于其他的翼型动态测压试验研究。     

1.5MW风力机气动性能研究

研制了风力机专用试验平台并进行了验证试验,在此基础上,将该试验平台应用于1.5MW大型风力机1/16缩尺模型在12m×16m低速风洞的气动性能试验研究。通过对试验结果的分析,研究获得了桨距角对风能利用系数的影响规律,分析了不同叶尖速比下风轮转速急升和骤停现象与NH系列翼型气动特性的关系。论文还将试验结果与GH B laded软件计算结果进行了综合比较分析。研究表明,该风力机最大风能利用系数高于0.492。     

风力机叶片翼型的结冰数值模拟研究

研究了风力机叶片翼型的结冰数值模拟方法,及翼型结冰后对其气动性能的影响。求解雷诺平均N-S方程,引入k-ωSST湍流模型封闭方程,获得风力机叶片流场;采用拉格朗日法计算风力机叶片翼型周围的水滴运动轨迹,同时考虑了多尺寸水滴分布的影响,获得翼型表面的局部水收集系数分布;根据质量守恒和能量守恒原理,计算翼型表面的各项热流,获得翼型表面的结冰速率和结冰冰形;考虑到翼型结冰是时间的动态函数,采用多时间步长法完成结冰数值模拟。计算了风力机叶片翼型在不同环境条件和气象条件下的结冰冰形,同时模拟了风力机翼型结冰后周围流场的变化,并与干净翼型的气动特性进行了对比。结果表明,环境温度较高时形成的明冰对翼型气动性能的影响较大,结冰导致翼型升力下降,升阻比减小,最大减小幅度达到61%,同时结冰后的翼型会提前进入失速区,导致桨叶气动性能恶化。     

大型风力机三维空气动力学数值模拟

采用数值模拟的方法,对三种风力机叶片的空气动力学性能进行研究.计算得到了旋转功率随着来流速度的变化曲线,并将所得结果与基于动量叶素理论的工程设计方法结果、风洞实验结果和风场实测结果进行对比.计算结果体现了CFD方法解决这种问题的有效性.所用的数值模拟方法可以广泛地应用到风力机设计和气动性能评价中,所得结果可作为叶片动态特性及气弹稳定性分析的载荷而被应用于风力机性能和可靠性的评估当中.     

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。     

基于响应面方法的风力机叶片多目标优化设计研究

运用基于响应面方法的优化设计技术,于径向使用NPU-WA-风力机专用翼型族的某1.5MW水平轴风力机叶片的多目标、多约束优化设计研究中。风力机气动性能使用基于叶素-动量理论的风力机性能分析和设计软件PROPID51。设计变量为叶片径向外形参数,包括弦长和扭转角分布,但是相对厚度保持不变;设计目标为年发电量和功率系数的最大化;在多目标优化中,使用"统一目标函数"法将多个设计目标函数通过加权求和统一到一个目标函数中。为减小计算量,响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型;构建模型中试验点的选择满足D-优化准则。以某1.5MW变速变矩型风力机叶片为例,进行了优化设计研究。叶片径向使用西北工业大学翼型研究中心设计的NPU-WA-风力机专用翼型族,使用CFD计算的气动性能数据作为输入进行了设计,分析了目标函数的权值分配对设计结果的影响;使用风洞测量自由转捩的气动性能数据进行了设计并分析了表面光滑条件对气动性能的影响。     

风力机组叶片的先进翼型族设计

大型风力机组叶片设计需要专用的翼型族,以满足风力机组运行的环境要求。高升阻比、低粗糙度影响是该翼型族的气动性能特点。为了发展我国具有自主知识产权的风力机专用翼型族,在科技部863项目的支持下,北京航空航天大学联合国内气动研究单位,通过理论分析、数值模拟和风洞试验等技术途径,开发了两个适用于大型风力机组叶片的先进翼型族。理论分析和风洞试验表明,设计结果基本达到了预先设定的气动性能指标。