仿鸮翼的三维仿生翼型叶片气动特性研究

基于仿生逆向重构方法对具有静音飞行特性的长耳鸮翅膀进行拟合,得到仿长耳鸮翅膀的三维叶片模型。采用大涡模拟方法对仿鸮翼型叶片流动进行数值模拟,研究了2种雷诺数(Re=16 000,70 000)下不同攻角时的鸮翼仿生叶片的流场结构,揭示了仿鸮翼型叶片的流动控制机理。研究结果表明:基于长耳鸮翅膀的仿生翼型叶片在2种雷诺数下均具有优异的升力特性,其中Re=70 000时的升力系数相对较大,最大升力系数为1.26,但流动失速攻角也相对较大;靠近叶根处叶片前缘部分的上弯结构是仿生叶片具有较高升力系数的重要因素;随着攻角的增大,受沿叶片流动方向逆压梯度的影响,叶片表面气流无法保持附面流动状态,边界层逐渐发生分离,在叶片下游处产生了明显的不规则涡结构,从而导致流动恶化,这也是仿生叶片产生涡流噪声的原因。     

仿鸟翼厚度分布特征叶片的贯流风机气动性能研究

为提升空调器用贯流风机的气动性能,降低风机功耗,受鸟类翼型结构启发,研究了仿生翼型设计对贯流风机气动性能的影响。首先分别提取具有优良气动性能的长耳鸮和海鸥翅膀展向40%处截面翼型进行仿生逆向重构,基于鸟翼厚度分布特征进行贯流风机叶片仿生设计,考虑到叶片强度和工艺条件的影响,针对设计的仿生翼型叶片进行了改型设计并应用于贯流风机中。然后采用数值模拟研究了两种仿鸟翼叶片对贯流风机内流场结构及其气动性能的影响。最后针对贯流风机的气动性能进行实验测量,验证仿生叶片设计对提升贯流风机气动性能的有效性。研究结果表明：两种仿鸟翼叶片前缘形态均能有效抑制叶轮外缘分离涡,减少叶道进口侧阻塞;两种叶片对于内圆周进口侧附面层堆积形成的二次流均有改善作用,低转速下前缘厚度变化剧烈的长耳鸮仿生叶轮表现更明显;两种仿鸟翼叶片均能增强偏心涡强度,使叶片做功能力提升,出口流速增大,叶轮效率提升。选取性能较优的长耳鸮仿生叶轮进行实验研究,与原型机相比,不同工况下采用长耳鸮仿生叶轮的整机的加权风量提升29.6 m³·h^-1;相同风量条件下,整机功率降低了3.5%。     

几种仿生翼型动态失速特性的数值分析

为提高叶轮机械运行的稳定性,常需要设计获得一种具有高升力特性和良好稳定性的翼型。受自然界中具有不同飞行特性的鸟类翅膀的启发,本文首先以海鸥、雀鹰、长耳鸮、水鸭4种鸟类为仿生对象,对沿翅膀展向40%截面位置处的翅膀轮廓形状进行仿生重构,获得4种仿生翼型。然后,对4种仿生翼型的动态失速特性进行数值模拟,通过对比分析4种仿生翼型的动态气动特性得出：在Re=2.0×10⁵工况下,仿海鸥翼型的平稳性最好,阻力峰值在4种仿生翼型中最低;仿雀鹰翼型仅上仰阶段的升力系数小于仿海鸥翼型,仿雀鹰翼型的平稳性与仿海鸥翼型类似;尽管仿长耳鸮翼型的升力系数峰值最大,但是其动态迟滞现象明显;仿水鸭翼型产生的阻力最大,平稳性也相对较差。综上,仿海鸥翼型具有良好的稳定性和较低的阻力峰值,从而为叶轮机械优化设计和气动性能改善提供了有价值的参考翼型。     

一种风力机专用翼型气动性能的三维数值模拟

为了准确预测风力机专用翼型在大攻角状态下的气动性能,运用脱体涡模拟(detached eddy simulation)方法对瑞典的FFA-W3-241翼型较大攻角范围内的气动性能进行三维数值模拟,对该翼型前缘粗糙状态下的气动性能进行预测.计算结果表明:建立翼型的三维模型,运用DES模拟风力机专用翼型气动性能的方法在线性区有很高的预测精度,在失速发展区的计算精度达到工程实际与研究的要求,在深度失速区有一定的预测精度,可用于定性分析.前缘粗糙度对FFA-W3-241翼型的气动性能有重要影响,前缘粗糙度的增加使FFA-W3-241翼型的最大升力系数下降了27.8%,失速过程趋于缓和;翼型在线性区和深度失速区对前缘粗糙度不敏感,在失速发展区对粗糙度敏感.     

蜻蜓滑翔时前翅褶皱的流固耦合分析

滑翔是蜻蜓常见的一种飞行模式,为探究蜻蜓滑翔时气动力对前翅的影响,选取蜻蜓前翅横截面的褶皱,建立适当简化的二维数值模型——褶皱翼型,对二维褶皱翼型进行了单向和双向流固耦合分析。结果表明:褶皱的变形和应力随着攻角的增大而逐渐增大,且在同一攻角下,越靠近蜻蜓身体部分的横截面褶皱,变形和应力越大,越靠近前翅展向的外沿,变形和应力越小,褶皱的存在使蜻蜓前翅在受载荷后力学分布更加合理。     

高速航空螺旋桨翼型气动特性及数值仿真

为了提升高速航空螺旋桨的气动性能,通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法研究了平凸翼型NACA4412、超临界翼型RAE2822和高雷诺数薄翼型NACA65206在不同马赫数、不同攻角下的升阻比变化规律,以及翼型流场的马赫数等值线分布等。通过翼型的升阻比特性研究,选用NACA65206翼型设计了一款高速航空螺旋桨,并进行了螺旋桨流场的CFD仿真和气动性能计算。结果表明：随着马赫数从0.5提高到0.9,NACA65206翼型具有更好的升阻比特性,并且失速特性不断改善;采用NACA65206翼型设计的螺旋桨在0.6飞行马赫数下,推进效率高于80%,在0.7飞行马赫数下,推进效率高于75%,说明了使用薄翼型结合大后掠角度设计的高速航空螺旋桨具有较好的推进效率。     

涡流发生器对垂直轴风力机翼型气动性能的影响

为推迟翼型的边界层分离,改善叶片的气动性能,提出一种在H型垂直轴风力机对称翼型NACA0012叶片表面上加装涡流发生器的设计方案。利用FLUENT软件对翼型进行三维流体力学仿真,采用正交试验设计法,研究涡流发生器的高度、安装角度和安装位置这3个设计参数对翼型气动性能的影响。研究结果表明:最佳的涡流发生器高度为6.5 mm、安装角度为18°、安装位置为0.1c(c为叶片弦长),过大或者过小的涡流发生器高度和安装角会降低翼型的升力系数和升阻比;安装位置靠近翼型前缘可增大翼型的临界攻角,但会给翼型带来较大阻力;加装涡流发生器后,对称翼型叶片失速区范围减小40.3%。     

采用仿鸮翼叶片降低空调用离心风机气动噪声的研究

基于逆向工程设计方法,提取具有优良气动性能和低噪声特性的长耳鸮翅膀展向40%截面位置处的翼型进行仿生重构,并将其应用于窗式空调用离心风机叶片的叶型改进中。采用数值计算方法研究了仿鸮翼翼型叶片4种不同中弧线分布方式的降噪效果,对最优设计风机的气动性能和噪声进行了试验验证。与原型相比,仿生翼型叶片按照单圆弧中弧线分布设计的离心风机降噪效果最好,在风量基本保持不变的同时风机噪声下降了1.3dB。风机内部流动及其噪声特性的数值模拟结果表明:仿鸮翼叶片的应用可减少叶轮流道内的低速分离区域,有效抑制通道内旋涡流的产生和发展,同时减弱叶轮与蜗舌间周期性的非定常相互作用,降低叶片前缘区域和蜗舌区域的压力脉动,从而有效降低空调用离心风机产生的气动噪声。     

垂直轴风力机二维流场数值模拟

采用数值模拟的方法研究不同攻角、不同风速条件下naca0015翼型二维流场中的马赫数、雷诺数．通过比较叶片升、阻力系数变化,得出攻角为15°时翼型获得最佳的升、阻力系数．通过比较表面压强分布图、速度图和流线图,分析马赫数、雷诺数对naca0015翼型的影响,得出在相同的攻角、马赫数的条件下．随着雷诺数的增大翼型升力系数增大．阻力系数变小;在小攻角、低风速以及相同马赫数条件下,雷诺数较小时更易获得稳定的流场．     

带脊状结构的NACA0018翼型气动噪声特性

为了减少翼型的气动噪声,采用声类比的方法,以NACA0018翼型为研究对象,研究脊状结构对翼型远场噪声的影响。分别模拟来流速度为12 m/s和24 m/s,在6°攻角下布置脊状结构的翼型流场,对应的基于弦长雷诺数大约为1.6×105。通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到Riblet-Q和Riblet-H翼型的声场。非定常流场计算结果表明：6°攻角下Riblet-H翼型能够改善翼型边界层分离情况,抑制涡结构脱落,从而减小翼型表面压力脉动和接收点处声压波动。逆压梯度段脊状结构可以有效减小频率在0-3000Hz内的噪声。进一步研究表明,该状态下的噪声主要由边界层引起的涡脱落噪声所主导。可见,适当位置的脊状结构可以改善翼型的噪声情况。