风力机叶片翼型气动特性数值模拟

为研究风力机转子叶片的翼型特征,通过Fluent软件对改进的NACA类风力机转子叶片翼型的绕流流动气动特性参数进行数值模拟分析.结果表明:对于改进的NACA类转子叶片,翼型特征的优化保留了叶片高升力,进一步降低了阻力,在多攻角范围内均获得了较好的升力系数和升阻比.当攻角较小时,叶片绕流流动即呈现较小的分离涡,随着攻角的上升,叶片正负压强差进一步增大,表面压力系数特征规律趋于稳定,尾部涡进一步扩大,表现出强烈的分离流动特性.翼型的优化设计可以直接提高风力机转子叶片的气动特征,进而提高风力机的工作性能.     

基于遗传算法的潮流能水轮机翼型优化设计

为了获得满足潮流能水轮机设计要求的专用翼型,基于遗传算法建立了水轮机翼型优化设计模型,该模型综合考虑了升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数等因素,采用XFOIL评估翼型的水动力性能,对几种典型设计要求情况下的水轮机翼型进行了优化设计.数值结果表明,该模型能够根据不同的设计要求获得相对应的水轮机翼型,不仅可以改善翼型的水动力系数,还能够避免翼型空化现象的产生.在最小化压力系数情况下,最大厚度位置更靠近翼型后缘,而最大化升力系数情况下则更靠近翼型前缘.为了达到指定的设计目标,需要考虑多个攻角下的升力系数或压力系数.     

基于通用型线和网格重构的风力机翼型设计

现有翼型表达大都基于控制点和初始成熟翼型,设计空间小因而不利于选出高性能翼型.基于Joukowski保角变换通用翼型形线表征形式,编程集成ICEM和FLUENT完成翼型生成、大变形网格重构、边界条件生成和流场解算,采用改进遗传算法进行高升阻比风力机翼型多学科联合设计.结果表明本平台设计的翼型在设计、非设计工况下以及主要攻角范围内有较高升力系数和升阻比.该型线集成表达和流场计算多学科设计方法,也为类似气动优化设计提供参考.     

基于熵产方法的跨音速翼型减阻优化设计

将熵产方法引入跨音速翼型气动优化设计中,采用涡黏性模型对翼型流场熵产进行计算,进而阐述熵产对翼型阻力的影响.通过类别形状函数(CST)方法和径向基函数(RBFs)网格变形方法完成翼型参数化建模与网格变形,并将改进的NSGA2多目标遗传算法与CFD计算耦合起来实现了翼型自动优化设计,用此方法进行了跨音速翼型的气动优化设计,目标函数为来流马赫数为0.73、攻角为2.54°时升阻比最大,熵产最小.设计结果表明:优化方法在小种群下有很好的全局收敛性,得到的非支配解集分布均匀,质量较高.与参考翼型相比,优化翼型通过降低流场熵产,有效地减少了翼型阻力,大幅度提高了翼型升阻比,消除或减弱了翼型上表面激波,有效提高了翼型的气动性能.     

一新型立轴风力机直叶片翼型气动特性数值模拟

本文研究的是一新型立轴风力机直叶片,研究了影响其气动性能的一些参数,采用商业软件FLUENT模拟翼型在不同来流攻角下的气动性能,得出了翼型的升力系数、阻力系数和升阻比随来流攻角的变化关系,为该叶片的气动优化设计提供了参考。     

基于模拟退火算法的垂直轴风机翼型优化设计

为了实现智能优化垂直轴风机翼型的气动特性,提高垂直轴风机的功率系数,通过模拟退火算法作为寻优方法,用气动性能计算工具XFOIL与MATLAB程序下的失速修正模型相结合用来计算翼型优化前后的气动特性;通过CST(class/shape function transformation)翼型建模法构建控制翼型曲线的翼型数学模型,选取翼型的控制参数为设计变量,翼型最大相对厚度以及最大相对厚度所处位置为约束条件,以翼型的最大升阻比为目标函数,建立翼型智能优化算法,并完成了对NACA0018翼型的优化设计.结果表明:优化后翼型的气动性能得到提高;最大升力系数提高了2％,升阻比的峰值提高了5.22％,最大切向力系数提高了6.77％.可见优化后翼型的失速性能得到了有效改善.     

采用仿秋沙鸭翼型叶片贯流风机的气动性能数值研究

为提高空调性能,满足产品节能要求,本文基于叶片仿生设计及叶轮交错角改良开展贯流风机的优化研究。首先,通过逆向工程方法提取了秋沙鸭翅膀40%翼展截面处的型线特征,结合产品的工艺要求设计了贯流风机仿生叶片;然后,采用三维数值计算模型对带有仿秋沙鸭翼型叶片的贯流风机内部流场进行了数值模拟,研究了具有不同叶轮交错角的仿秋沙鸭翼型叶轮对贯流风机气动性能的影响;最后,选取气动性能最优的叶轮交错角为5°的仿秋沙鸭翼型叶轮进行加工测试。研究结果表明：三维数值计算结果能够有效地揭示贯流风机内轴向流动特性,叶轮交错角对叶轮中盘附近流场影响显著;采用仿秋沙鸭翼型叶轮能够改善贯流风机叶轮进出口流动状态,增大叶轮偏心涡强度,提升叶轮做功效率。根据实验结果,与原型机相比,采用仿秋沙鸭翼型叶片的贯流风机在相同转速下风量基本不变。在送风工况条件下,功率最大降幅为3.3%;在制冷工况条件下,功率最大降幅为2.7%,噪声最大降幅为0.3 dB。     

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%。     

翼型前缘微小平板的流动控制方法和数值模拟

提出了一种在翼型前缘前设置微小平板来抑制翼型上流动分离的新方法, 并通过自主研发的计算软件UCFD 对微小平板的流动控制进行了数值模拟. 首先研究了在攻角一定的情况下微小平板的长度、安装角、相对翼型的安装位置等对抑制翼型上流动分离效果的影响; 然后, 采用正交优化方法, 以翼型最大升阻比为优化目标, 得到了该小平板最佳的长度、安装角和安装位置等. 研究结果表明, 微小平板的设置对抑制叶片上的流动分离具有显著效果.     

亚音速下翼型气动性能数值分析

文章基于数值模拟的方法，研究NACA0012翼型的失速及流场参数改变对飞机的气动性能影响；运用SST k-ω湍流模型和Solution Steering收敛方法得出翼型的流场计算参数，并与美国航空航天局(NASA)的试验数据进行对比，验证计算翼型的准确性。结果表明：当Re为5×10⁶和10×10⁶时，最大升力系数随马赫数的变化波动较大，且变化趋势基本相同，最大升力系数出现在Ma=0.20左右，分别为1.46、1.59,是所研究范围飞机的最佳飞行状态；在低Re的情况下，翼型的最大升阻比随马赫数增大而先增大后减小，且翼型的最大升阻比出现位置在马赫数为0.20～0.30;在亚音速条件下，翼型的失速攻角在一定范围内随马赫数变化可以用对数函数进行定量描述。     

二维翼型襟翼增升的数值模拟

为提高风力机的效率,缩短桨叶开发周期,应用新型LU隐式格式和改良型高阶MUSCL TVD格式,通过求解可压缩Reynolds平均的Navier-Stokes方程和q-ω低Reynolds数双方程湍流模型,数值模拟了NACA632-215翼型加45°襟翼及Gurney襟翼时,在0°到30°攻角范围内的流动,并与实验结果进行了对比.计算得到的压力因数与实验结果吻合很好.计算得到的翼型升力因数与实验值整体一致.对带Gurney襟翼的翼型,在计算中采用了一种近似的边界条件处理方法以简化网格生成.通过对大攻角工况下襟翼附近的分离流场进行分析,解释了翼型加襟翼能够增加升阻比的原因.     

多参数变弯度翼型气动优化设计方法

为了获得机翼最优的气动外形,提出了一种多偏转参数与非均匀B样条结合的翼型前后缘连续偏转变形规律。以NACA3412翼型为研究实例,对翼型曲线进行参数化重构。以翼型前、后缘偏转位置和偏转角度为变化参数,模拟分析了不同变形状态对翼型气动特性的影响规律。以翼型升力系数和升阻比为优化目标,以前、后缘的偏转角度、偏转位置以及过渡段长度等六个偏转参数为设计变量,采用多目标遗传算法和ANSYS软件进行优化设计。结果表明,与基础翼型相比,优化后的变弯度翼型的升阻比提升约19.26%,升力提升约44.43%,明显改善了翼型的气动性能。     

改进的粒子群算法在翼型优化设计中的应用

建立了多目标风力机翼型型线优化模型,并采用改进的粒子群优化算法对多目标风力机翼型型线进行优化,设计出4种不同厚度的性能较好的风力机翼型。对CQUA18和CQUA21两种新翼型的气动特性与相同厚度典型的风力机翼型进行对比分析,结果表明,该翼型具有良好的气动特性,对翼型的前缘粗糙度不敏感,在主要攻角范围内,光滑和粗糙条件下,新翼型的升力系数和升阻比都要高,其气动特性具有显著的提高。     

垫升轴流风扇的静叶优化设计及内部流动机理数值研究

以气垫船大型垫升轴流风扇为研究对象,在保证网格无关性及总性能数值结果与试验结果相吻合的基础上,结合人工神经网络技术及遗传算法对静叶中弧线开展优化设计,分析静叶叶型及风扇总性能变化情况。在流量系数分别为0.28、0.35、0.45的3种工况点,研究了原始静叶及优化后静叶通道内部流动机理,揭示了影响静叶内部流动稳定性的原因,由此提出了减小静叶通道内流动损失的方法。研究结果表明:通过优化静叶几何进、出口角,即减小攻角、略微增大落后角,在主要流量工况范围内可抑制通道内的二次流流动,在保证压力不降的情况下提升效率、降低功率,其中设计流量工况点效率提升达7%以上;在静叶上,通过减小几何进口角、增大几何出口角,可以起到调整叶片表面载荷分布、降低流动损失、提高气体通流能力的作用。该结果可为研究叶轮机械内部复杂流动提供参考。     

基于自由尾迹法小翼气动特性分析

基于(势流)涡方法开发了水平轴风力机叶片设计优化程序,采用自由尾迹模型对增加小翼后的叶片气动设计性能进行初步分析,研究了风力机设计工况下,小翼对气流涡位置及诱导速度分布等气动性能参数的影响,对比分析了增加小翼后功率输出情况。结果表明,增加小翼后风力机叶片在设计工况下功率系数有明显增加,可以考虑将叶尖小翼作为已安装风机功率提升的解决方案之一。     

基于改进多目标粒子群算法的风力机大厚度翼型优化设计

仅以气动性能最佳为目标进行优化设计的翼型,结构性能较差.为了克服这一缺点,基于改进的多目标粒子群算法(MOPSO),提出了综合考虑气动性能和结构性能的大厚度翼型多目标优化设计方法.针对相对厚度为40%的翼型,应用翼型集成理论对翼型进行参数化表达,以翼型主要攻角处的升阻比最大和翼型面对弦线轴的惯性矩最大为设计目标,综合考虑翼型的粗糙度敏感性、失速特性及非设计工况特性,进行翼型的多目标优化设计,得到了Pareto最优解集.分析最优解集中的翼型,由此挑选出的新翼型在气动性能和结构性能上均比常用翼型DU00-W2-401有较大提高.     

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Ma、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。     

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。     

基于片条理论和遗传算法的风力机叶片全局优化设计

针对水平轴风力机叶片Wilson优化设计法的不足,以片条理论为基础、全年发电量为目标函数对叶片进行全局优化设计。通过遗传算法对设计约束进行最优化搜索,并根据该方法设计在平均风速为7.5 m/s风场下工作的1.5 MW叶片。为保证功率计算的准确性,通过XFOIL和CFD软件计算翼型0o~360o攻角下气动性能,将其设计结果与Wilson法进行比较。研究结果表明:全局优化设计方法能够满足叶片设计要求,设计的叶片在低于额定风速的低风速区性能良好,在平均风速附近(7~9 m/s)的功率系数达0.44。     

轴流压气机串列静子叶片弯掠设计优化

为了提高轴流压气机的串列静子在不同工况下的静压比与总压恢复系数,采用高自由度的复合弯掠三维叶片造型设计方法,对其前后排叶片进行协同双目标优化设计。设计优化研究表明：弯掠优化设计显著抑制了正攻角工况下串列静子叶片流道内的气流分离,缓解了负攻角工况下串列静子叶片缝隙通道内的气流堵塞。最后优化的弯掠叶型在正和负攻角工况下,静压比分别提升了0.99%和0.71%,总压恢复系数分别提升了0.89%和0.72%。