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。

为研究三角襟翼对风力机叶片翼型气动特性的影响,将三角襟翼加至NACA4412翼型尾缘,建立其二维襟翼计算模型,基于CFD数值模拟方法分析不同宽度和长度的三角襟翼在0°~18°攻角范围内的气动特性,得到了各攻角下升阻力系数、升阻比及翼型壁面压强分布曲线。结果表明:增加襟翼长度,使得翼型升阻比减小,失速攻角提前,增加襟翼宽度,使得翼型升阻比增大,失速攻角延后,因此适当减小三角襟翼的长度和增加其宽度有助于提高翼型的气动特性,将翼型尾缘5%部分作为空间生成襟翼,与传统襟翼相比,节省了制造材料和空间。

为得到具有高气动性能、低噪声水平的风力机专用翼型,基于参数化非对称钝尾缘翼型,研究了尾缘厚度及其分配比对风力机翼型气动性能及气动噪声的影响。采用分离涡模拟方法和声学类比方程建立了噪声预测方法,针对改型翼型进行样条函数参数化处理,并计算其气动噪声。结果表明:随着尾缘厚度的增加,改型翼型的升力系数和升阻比均大于原始翼型,气动性能得到明显改善;钝尾缘翼型会导致气动噪声增加,当尾缘厚度为1.5%c、尾缘厚度分配比为1∶3时,翼型气动噪声增幅较小。

运用数值模拟研究进口干度对超临界二氧化碳压缩机气动性能的影响,着重对比分析了不同进口干度时叶顶间隙流动的形态特征。结果表明随着进口干度减小,超临界二氧化碳压缩机的最高效率点对应的流量增大,效率峰值升高,压比增大,喘振裕度增大;在设计流量及小流量工况时,效率随进口干度的减小而降低;在大流量工况时,效率随进口干度的减小而升高;当叶顶间隙为进口叶高的5%时,在相同工况下,进口干度越小,叶顶泄漏流越强,易形成“二次泄漏”。

基于大涡模拟对采用不同跨度齿形襟翼(TGF)的动叶可调轴流风机进行了数值研究,探讨了襟翼及其跨度对风机性能、气动噪声和静压分布的影响,分析了噪声与涡结构分布的内在联系。结果表明齿形襟翼可显著提高风机全压,且全压增幅与襟翼跨度成正比,襟翼跨度为0.9时的全压提高1 409 Pa;采用齿形襟翼后的风机降噪量随襟翼跨度的减小而增大,襟翼跨度为0.7时的降噪量达18.33 dB;齿形襟翼削弱了叶片尾迹强度,改善了叶根泡状涡尺寸,在襟翼顶部形成一较长管状涡,减弱了尾涡与叶顶泄漏流的相互作用;襟翼跨度越小,改善成效、降噪效果越显著;襟翼跨度为0.9时的齿形襟翼在改善全压、拓宽高效区和降噪等方面的综合性能最优,且在变安装角工况下可有效提升风机全压、改善大流量侧效率。

针对100 kW氢燃料电池堆需求,开展了两级串联离心式空气压缩机的气动设计。根据轴向力、比转速和叶轮尺寸等确定两级叶轮的压比分配,通过中部加载叶型设计减小叶轮进出口流动损失,通过叶片前倾设计降低高压级叶轮前缘的气动载荷、减小叶尖泄漏损失。对空气压缩机进行了三维流动数值仿真分析。结果表明空气压缩机内部流动情况良好;在设计转速、质量流量为130 g/s时,整机压比达到2.82,气动效率达到77.5%,性能可以满足100 kW氢燃料电池堆的使用需求。

采用数值模拟方法研究了运动表面长度l、速度比k、凹槽深度h和运动表面的无量纲位置s对带局部运动表面的NACA0012翼型动态失速特性的影响,在相同工况下对比了带表面射流与运动表面边界层控制方法(MSBC)对动态失速的控制效果。结果表明采用运动表面边界层控制方法能够明显改善翼型的动态失速特性;在最优参数组合(s=0.4、l=0.4、k=1和h=0.25 mm)下MSBC翼型的等效升阻比较原始翼型增大了57.10%;当耗能系数较低时,与带表面射流的翼型相比,采用MSBC翼型可以通过较少的局部能量输入,就能达到提高翼型气动效率的目的。

针对某电厂引风机后烟道气动噪声问题,采用Fluent软件进行数值模拟,结合大涡模拟与FW-H方程研究管外监测点的气动噪声,分析不同导流板排布方式和数量对管外气动噪声的影响。结果表明受管道截面面积增大的影响,烟气进入烟道后,靠近壁面处出现湍动能较高的区域,设置导流板可以提高流体分布的均匀性,降低弯管处的湍动能;当安装于第1节和第2节弯管内的2组件均包含2块导流板时,改造方案能够达到相对最佳的降噪效果,与2组件分别包含8块和6块导流板的原始烟道相比,气动噪声的平均总声压级降低了4.8%。

为了探究仿生叶片对离心风机气动性能、流场和声场的影响,将波形前缘、锯齿尾缘和表面凹坑3种仿生结构应用在离心风机叶片上,并对其流动和噪声辐射进行了数值计算。结果表明表面凹坑结构抑制了叶片吸力面上的分离流,提升了离心风机的全压和效率,但蜗壳壁面附近的压力脉动幅值增大,最终使噪声不降反增0.85dB;锯齿尾缘型风机虽然做功能力下降,但依然保持高效率,叶轮内流动状况改善,压力脉动明显削弱,总声压级平均下降5.04dB;波形前缘型风机气动性能与原型相比略有提升但相差不大,整体降噪3.14dB。

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。