为了有效改善轴流风机气动和声学性能,以带后置导叶的OB-84型单级动叶可调轴流风机为对象,利用Fluent软件和Ansys有限元分析模块,对比叶片弯曲前后风机的气动性能和内流特征,分析其静力结构特性并进行了噪声预估。结果表明:叶片弯曲后风机全压提高,大体积流量侧气动性能改善效果明显,设计工况点前弯3.0°性能提升最佳,全压和效率分别提升了3%和0.16%;前弯叶片增大了叶根区轴向速度,延缓了叶根区分离流动的出现,提升了叶片中下部做功能力,减小了叶顶区吸力面与压力面间的压差,有效抑制了叶顶泄漏流的产生;弯曲叶片对降低声功率级影响较小,但可缩小高噪声区分布,从而降低风机噪声。

利用Fluent软件预测了风力机翼型在覆冰状态下的气动性能和气动噪声,采用大涡模拟与基于Lighthill声类比的FW-H模型相结合的方法模拟了不同覆冰状态下的声压级频谱和功率谱密度分布特征,分析了攻角和来流风速对声压级频谱和功率谱密度分布特征的影响。结果表明:覆冰使翼型的气动性能下降,升力减小,气流与壁面提前分离并进入失速区;明冰对翼型气动性能的影响最显著,霜冰次之;翼型覆冰后气动噪声明显增大,尤其覆明冰时翼型的气动噪声更突出;翼型覆冰前后气动噪声均随攻角增大而提高,未达到和超过失速攻角时气动噪声分别呈低频离散特性和宽频特性;来流风速对气动噪声的影响体现在总声压级上,各监测点的总声压级均随来流风速的增大而增强。

为分析Gurney襟翼对风力机翼型气动性能和气动噪声特性的影响,利用Fluent软件中的LES模型计算攻角为4°~20°时原始翼型和带有不同高度Gurney襟翼翼型的气动性能和流场分布,并基于FW-H声类比方法,利用Acoustics模块精确求解远场气动噪声。结果表明:升力系数大于0.8时,Gurney襟翼能明显增大翼型升力系数,但阻力系数也显著增大;襟翼高度小于3%弦长时,失速攻角明显增大;襟翼高度大于3%弦长时,升力系数增幅减小,阻力系数增幅增大,且气动噪声急剧增加,翼型声辐射特征呈现偶极子声场的特点。

为设计具有优良弯扭耦合性能的风力机叶片,基于复合材料铺层实现叶片气动弹性剪裁,建立全尺寸三维5MW风力机叶片有限元壳模型,通过CFD方法加载叶片表面气动载荷,采用节点位移法分析铺层结构对弯扭耦合叶片整体性能的影响。结果表明:镜像对称铺层结构可实现叶片弯扭耦合;在气动载荷作用下,叶片出现弯曲和扭转变形,沿叶片展向弯扭耦合变形量增加,且与截面相对位置呈非线性关系;随着蒙皮偏轴夹角的增大,弯扭耦合系数先增大后减小,叶片弯扭耦合性能随蒙皮偏轴夹角的变化而改变,存在最优解。

为充分利用建筑周围的局部强化风,对建筑环境中的垂直轴风力机进行了非定常数值模拟。对以NACA0021翼型作为叶片截面的三叶片原始直线翼垂直轴风力机周围流场进行数值模拟,并与实验值进行比较,结合高耸建筑的高度优势、建筑扩散体强化风速效应及风向研究建筑增强型直线翼垂直轴风力机捕获风能的特点与优势。结果表明:建筑增强型直线翼垂直轴风力机的风能利用系数最高提升至原始直线翼垂直轴风力机的2.47倍,但其载荷波动大,对结构安全性与可靠性提出了更高的要求,且对风向、建筑扩散体排布方式及建筑外廓敏感度高。

以NREL S809为原始翼型,采用数值模拟方法得到不同雷诺数下各弹片角度对翼型气动性能的影响,并利用功率谱分析非定常流场气动参数的波动情况。结果表明:在不同雷诺数下,改善翼型气动性能的最佳弹片角度与攻角均近似呈线性关系;与低雷诺数相比,高雷诺数下流体对翼型表面有更强的贴附能力,使得对应攻角下最佳弹片的角度更小;高雷诺数时,在各攻角下弹片改善翼型气动参数波动的能力均较强,而低雷诺数时其能力明显减弱。

采用数值模拟方法对表面纵向布置微沟槽的风力机翼型的气动性能进行研究。基于Transition SST模型,采用商用计算流体动力学(CFD)软件,研究了L型和V型2种不同类型的微沟槽的减阻效应,考虑了不同雷诺数和不同翼型条件下,表面微沟槽对风力机翼型升阻力特性的影响。通过对比升、阻力系数及表面摩擦力系数,探讨了风力机翼型表面微沟槽的减阻机理。结果表明在最优的沟槽几何参数条件下,L型沟槽相比V型沟槽具有更好的减阻效果,DU翼型最大减阻率达到5.6%;采用最优沟槽几何参数时,微沟槽在较大的雷诺数和攻角范围内都具有减阻效果。

以NACA0012翼型为研究对象,采用Transition SST湍流模型和Simple算法模拟了高雷诺数下吸气控制对翼型失速特性的影响。设计了4种吸气策略,详细探讨了不同吸气策略对翼型动态失速的影响,并对比其所需能耗。结果表明在相同动量系数下吸气控制对动态失速涡的抑制明显优于喷气控制;与喷气控制相比,采用吸气控制后翼型的平均升力系数可提高13%以上,平均阻力系数可降低80%;当采用开口向下的Sin函数策略时,翼型的等效升阻比最大。

通过改变椭圆长短轴比来构造不同曲率的翼缝,并研究了翼缝开口宽度和不同曲率对垂直轴风力机功率系数和启动特性的影响。结果表明在低尖速比、大攻角下弯曲翼缝翼型使流体重新附着于吸力面,有效延缓了流动分离,使扭矩波动减小,且扭矩系数较原始翼型显著提高;与原始翼型相比,弯曲翼缝翼型的最佳尖速比较低,风力机运行环境更加稳定。

基于NACA0018翼型,将波状前缘、锯齿尾缘和表面脊状3种仿生结构进行耦合,形成WSR翼型,并采用大涡模拟和FW-H方法研究了WSR翼型在不同雷诺数和攻角下的流场和噪声特性。结果表明在小攻角、低雷诺数下WSR翼型可降低噪声5 dB左右;在大攻角下,锯齿尾缘结构加剧了尾缘处流动掺混,改变了尾迹涡结构,降低了翼型尾缘处的涡量,进而使噪声降低8 dB左右。