仿鲸鱼鳍风力机翼型气动力性能控制研究
发布时间：2021-04-12 14:11
风电机组复杂的运行环境导致风电叶片表面存在明显的流动分离现象,流动分离的产生导致气动力失速现象的频繁发生,一方面,严重影响风电叶片气动力性能,降低风电机组发电效率,另一方面,由于叶片表面的分离涡周期性地脱落,引起叶片运行过程中振动的发生,严重影响风电机组整体运行的稳定性。风力机翼型作为叶片气动力性能的核心元素,亟需采用有效的流动分离控制方法,抑制风力机翼型表面的流动分离,改善风力机翼型气动力性能。凹凸前缘方法作为一种新型的被动控制方法,能够有效地抑制流动分离,改善失速特性,提高翼型整体气动力性能。本文将凹凸前缘方法应用于风力机翼型,通过气动力与流场实验,以及数值计算相结合的方法,分析凹凸前缘方法对风力机翼型静态与动态气动力性能的改善作用,并对仿鲸鱼鳍风力机翼型的平均特性与波动特性进行分析,并构建仿生翼型流场特征的模化方法,对流动分离控制机理展开研究。首先,通过气动力实验发现凹凸前缘结构能够有效地提高风力机翼型静态气动力性能,并改善气动力失速特性。在此基础上,开展了凹凸前缘翼型表面粗糙度的敏感性分析,表面粗糙度对风力机翼型气动力性能产生较大影响,受到表面粗糙度影响的风力机翼型静态气动力性...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
016-2020年全球风电新增和累计装机容量及预测
第1章绪论3图1.2风电机组复杂运行大气环境Figure1.2Thecomplexoperatingatmosphericenvironmentofwindturbines叶片表面的流动分离导致叶片在旋转运行过程中出现明显的气动力失速现象，并且风电机组在偏航、阵风以及风剪切等特殊工况下运行时，叶片的实际运行攻角发生周期性的复杂变化，导致动态失速现象的频繁发生[7]。动态失速的发生是引起风电叶片产生气动力载荷变化的主要原因之一，严重影响风电叶片的疲劳寿命[8,9]。风力机叶片作为风电机组风能捕获的核心部件，流动分离的发生导致叶片气动力性能的严重恶化，气动力失速的发生一方面将使风电机组的运行性能和发电效率降低，另一方面，由于叶片表面的分离涡周期性地脱落，会引发叶片运行过程中振动的发生，严重影响风电机组整体运行的稳定性，长期受振动影响甚至会造成机组本身的破坏和安全事故。风力机翼型作为叶片气动力性能的核心元素，亟需采用有效的流动分离控制方法，抑制风力机翼型表面的流动分离，改善翼型气动力失速特性，进而提高翼型气动性能，最终实现对风力机叶片气动力性能的提高，促进风电机组高效、可靠的运行。1.1.3流动控制方法介绍流动控制方法的开发与研究在各个机械领域受到广泛的关注，通过流动控制方法的应用实现抑制流动分离，延缓转捩发生的作用，进而实现对不同种类叶片升力的提高以及阻力的下降，此外，流动分离控制也具有抑制湍流与噪声产生的作用[10,11]。目前，对于翼型的流动分离控制方法主要有主动控制与被动控制两大类：（1）主动控制方法主动控制方法主要通过将外部的能量引入至流体当中，通过增加流体本身的
第1章绪论5图1.3座头鲸凹凸前缘胸鳍Figure1.3Pectoralfinofhumpbackwhale近些年，凹凸前缘方法作为一种新型的被动控制方法，在国内外引起了广泛的关注，许多研究学者对其流动控制效果开展了相关的研究。根据相关的实验研究发现，凹凸前缘能够起到较多的流动控制作用，除了有效地改善翼型失速特性以外，在一定的攻角范围内，能够提高升力、减小阻力，并且在降噪方面同样具有一定的作用[27-29]，因此，具有较好的应用前景，在许多旋转机械领域开展了广泛的研究工作，例如如风力机[30-36]、潮汐涡轮机[37,38]、船用部件[39,40]、微型飞行器[41,42]、压缩机[43,44]等。1.2凹凸前缘流动控制方法介绍1.2.1凹凸前缘对气动力性能控制效果凹凸前缘对翼型气动力性能的影响主要分为三方面：失速前区，失速区以及失速后区，其中失速区与失速后区是凹凸前缘产生明显气动力性能改善作用的区域；此外，凹凸前缘也具有一定的降噪、减阻效果。（1）失速前区性能影响对于失速前区，翼型表面的流动状态以层流或是转捩过程为主，凹凸前缘对翼型气动力性能所产生的影响并不明显。通过相关的研究发现，在特定条件下当层流流动中产生明显的分离泡时，凹凸前缘对层流边界层当中的分离泡会产生明显的影响。Hansen[45]通过实验发现，层流边界层中的分离泡可以有效地增加翼型本身的升力，并且对阻力产生较小的影响，实验结果发现凹凸前缘翼型同样产生明显的边界层分离泡，有效的提高了翼型本身的升力系数，但是，凹凸前缘翼型产生的升力值小于前缘光滑翼型的升力，并且对于特定结构参数（A8λ30）的凹凸前缘翼型，产生的阻力明显升高，如图1.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿鲸鱼鳍翼型动态气动力载荷控制研究[J]. 张一楠,张明明,蔡畅,徐建中. 工程热物理学报. 2020(04)
[2]Experimental investigation on the wake interference among wind turbines sited in atmospheric boundary layer winds[J]. W.Tian,A.Ozbay,X.D.Wang,H.Hu. Acta Mechanica Sinica. 2017(04)
[3]Numerical evaluation of passive control of shock wave/boundary layer interaction on NACA0012 airfoil using jagged wall[J]. Mojtaba Dehghan Manshadi,Ramin Rabani. Acta Mechanica Sinica. 2016(05)
[4]大型风力机叶片表面粗糙度效应数值研究[J]. 张骏,袁奇,吴聪,王梦瑶. 中国电机工程学报. 2014(20)
[5]粗糙度对风力机翼型气动性能影响的数值预测[J]. 李德顺,李仁年,杨从新,王秀勇,李银然. 农业机械学报. 2011(05)
[6]基于粗糙度敏感性研究的风力机专用翼型设计[J]. 陈进,张石强,王旭东,程江涛,陆群峰. 空气动力学学报. 2011(02)
[7]Modeling of delta-wing type vortex generators[J]. ZHANG Lei 1,3 ,YANG Ke 1,2* ,XU JianZhong 1 &ZHANG MingMing 1,2 1Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2 Key Laboratory of Wind Energy Utilization,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 3 Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China. Science China Technological Sciences. 2011(02)
[8]表面粗糙度对风力机翼型性能的影响[J]. 包能胜,霍福鹏,叶枝全,倪维斗. 太阳能学报. 2005(04)
本文编号：3133438
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
016-2020年全球风电新增和累计装机容量及预测
第1章绪论3图1.2风电机组复杂运行大气环境Figure1.2Thecomplexoperatingatmosphericenvironmentofwindturbines叶片表面的流动分离导致叶片在旋转运行过程中出现明显的气动力失速现象，并且风电机组在偏航、阵风以及风剪切等特殊工况下运行时，叶片的实际运行攻角发生周期性的复杂变化，导致动态失速现象的频繁发生[7]。动态失速的发生是引起风电叶片产生气动力载荷变化的主要原因之一，严重影响风电叶片的疲劳寿命[8,9]。风力机叶片作为风电机组风能捕获的核心部件，流动分离的发生导致叶片气动力性能的严重恶化，气动力失速的发生一方面将使风电机组的运行性能和发电效率降低，另一方面，由于叶片表面的分离涡周期性地脱落，会引发叶片运行过程中振动的发生，严重影响风电机组整体运行的稳定性，长期受振动影响甚至会造成机组本身的破坏和安全事故。风力机翼型作为叶片气动力性能的核心元素，亟需采用有效的流动分离控制方法，抑制风力机翼型表面的流动分离，改善翼型气动力失速特性，进而提高翼型气动性能，最终实现对风力机叶片气动力性能的提高，促进风电机组高效、可靠的运行。1.1.3流动控制方法介绍流动控制方法的开发与研究在各个机械领域受到广泛的关注，通过流动控制方法的应用实现抑制流动分离，延缓转捩发生的作用，进而实现对不同种类叶片升力的提高以及阻力的下降，此外，流动分离控制也具有抑制湍流与噪声产生的作用[10,11]。目前，对于翼型的流动分离控制方法主要有主动控制与被动控制两大类：（1）主动控制方法主动控制方法主要通过将外部的能量引入至流体当中，通过增加流体本身的
第1章绪论5图1.3座头鲸凹凸前缘胸鳍Figure1.3Pectoralfinofhumpbackwhale近些年，凹凸前缘方法作为一种新型的被动控制方法，在国内外引起了广泛的关注，许多研究学者对其流动控制效果开展了相关的研究。根据相关的实验研究发现，凹凸前缘能够起到较多的流动控制作用，除了有效地改善翼型失速特性以外，在一定的攻角范围内，能够提高升力、减小阻力，并且在降噪方面同样具有一定的作用[27-29]，因此，具有较好的应用前景，在许多旋转机械领域开展了广泛的研究工作，例如如风力机[30-36]、潮汐涡轮机[37,38]、船用部件[39,40]、微型飞行器[41,42]、压缩机[43,44]等。1.2凹凸前缘流动控制方法介绍1.2.1凹凸前缘对气动力性能控制效果凹凸前缘对翼型气动力性能的影响主要分为三方面：失速前区，失速区以及失速后区，其中失速区与失速后区是凹凸前缘产生明显气动力性能改善作用的区域；此外，凹凸前缘也具有一定的降噪、减阻效果。（1）失速前区性能影响对于失速前区，翼型表面的流动状态以层流或是转捩过程为主，凹凸前缘对翼型气动力性能所产生的影响并不明显。通过相关的研究发现，在特定条件下当层流流动中产生明显的分离泡时，凹凸前缘对层流边界层当中的分离泡会产生明显的影响。Hansen[45]通过实验发现，层流边界层中的分离泡可以有效地增加翼型本身的升力，并且对阻力产生较小的影响，实验结果发现凹凸前缘翼型同样产生明显的边界层分离泡，有效的提高了翼型本身的升力系数，但是，凹凸前缘翼型产生的升力值小于前缘光滑翼型的升力，并且对于特定结构参数（A8λ30）的凹凸前缘翼型，产生的阻力明显升高，如图1.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿鲸鱼鳍翼型动态气动力载荷控制研究[J]. 张一楠,张明明,蔡畅,徐建中. 工程热物理学报. 2020(04)
[2]Experimental investigation on the wake interference among wind turbines sited in atmospheric boundary layer winds[J]. W.Tian,A.Ozbay,X.D.Wang,H.Hu. Acta Mechanica Sinica. 2017(04)
[3]Numerical evaluation of passive control of shock wave/boundary layer interaction on NACA0012 airfoil using jagged wall[J]. Mojtaba Dehghan Manshadi,Ramin Rabani. Acta Mechanica Sinica. 2016(05)
[4]大型风力机叶片表面粗糙度效应数值研究[J]. 张骏,袁奇,吴聪,王梦瑶. 中国电机工程学报. 2014(20)
[5]粗糙度对风力机翼型气动性能影响的数值预测[J]. 李德顺,李仁年,杨从新,王秀勇,李银然. 农业机械学报. 2011(05)
[6]基于粗糙度敏感性研究的风力机专用翼型设计[J]. 陈进,张石强,王旭东,程江涛,陆群峰. 空气动力学学报. 2011(02)
[7]Modeling of delta-wing type vortex generators[J]. ZHANG Lei 1,3 ,YANG Ke 1,2* ,XU JianZhong 1 &ZHANG MingMing 1,2 1Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2 Key Laboratory of Wind Energy Utilization,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 3 Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China. Science China Technological Sciences. 2011(02)
[8]表面粗糙度对风力机翼型性能的影响[J]. 包能胜,霍福鹏,叶枝全,倪维斗. 太阳能学报. 2005(04)
本文编号：3133438
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