针对分离式尾缘襟翼翼缝对翼型气动性能与襟翼调控能力的影响,采用计算流体力学方法结合2种湍流模型从翼型宏观气动力与微观流场结构的角度对不同外形的翼缝进行了研究。在对比分析直翼缝与弯曲翼缝气动性能与流场结构的基础上,对翼缝外形进行了改进,并进一步分析了改进后翼缝的气动性能。结果表明:直翼缝在附着流时升力系数损失大于弯曲翼缝,而分离流时其延缓失速能力较强;改进翼缝能很好地贴合流体流动状态,相对于直翼缝,附着流时其升力损失较小;对于襟翼的载荷调控能力,未改进翼缝使襟翼调控能力有所减弱,改进翼缝不影响襟翼在正方向偏转时的调控能力。

提出一种在叶片尾缘布置分形孔的分形尾板叶片,以提高气动性能和改善流场流态。分别对原始叶片、无孔尾板叶片及分形尾板叶片进行三维流场数值计算,研究无孔尾板及分形尾板对叶片流场和气动特性的影响及流动机理。结果表明:分形尾板有助于改善叶片周围流场结构,降低了叶片吸力面上及周围的湍流强度,有效地延迟了流动分离;分形尾板叶片在提高最大升力系数的同时,延迟了失速的发生,且阻力系数较无孔尾板叶片小;在临近失速攻角时,分形尾板叶片阻力系数比无孔尾板叶片表现出较好的气动性能。

为抑制动态失速效应,以NACA0012为基础翼型,提出在前缘布置气动滑片的翼型。采用滑移网格和重叠网格相结合的技术,通过SST k-ω湍流模型对动态失速特性进行数值模拟,研究气动滑片对翼型气动性能的影响。结果表明:在上仰过程中,气动滑片能有效抑制动态失速的发生,延缓翼型前缘分离涡的产生;与原始翼型相比,气动滑片可在翼型上仰过程中显著减小阻力系数,并使翼型升阻比增大;在下俯过程中,气动滑片翼型的升力系数明显增大,且翼型运动过程中的迟滞效应减弱;气动滑片高度与翼型升阻比的提升效果密切相关。

基于翼型参数化方法对翼型S809进行两类不同的前缘修改,采用翼型设计分析软件Xfoil对修改前、后的翼型进行气动性能计算分析,并采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法进行流场特性分析。结果表明:翼型前缘下弯使得翼型在失速区升力系数增大,阻力系数减小,俯仰力矩系数减小,转捩现象延迟,翼型前缘上弯对气动性能的影响与之相反;翼型前缘上弯和下弯使得翼型表面压力系数分布均匀,吸力面及压力面压力系数增大;翼型前缘下弯能够抑制流动分离,抑制涡的形成,延迟翼型失速,翼型前缘上弯对翼型流场特性的影响则与之相反。

为提高水平轴风力机的风能利用率,以NREL S809为原始翼型研究了分裂翼型缝道相对位置和缝道相对宽度对翼型流场结构、翼型气动性能、升力和阻力特性的影响。结果表明:分裂翼型缝道会对翼型周围涡的发展与变化产生影响,不仅能明显改善翼型的失速特性,还提高了翼型的气动性能;缝道相对位置为40/90、缝道相对宽度为1.0%时分裂翼型的升力系数达到最大,与原始翼型相比,其升力系数提高约10.797%,分裂作用对于提高翼型气动性能的效果较佳。

在NACA0018翼型吸力面布置固定气动弹片后,比较了原始翼型和弹片翼型的气动性能及噪声特性。采用数值模拟方法,在6°~24°范围内计算攻角气动弹片对翼型气动性能及噪声特性的影响,并分析了其流动控制机理。结果表明:气动弹片在大攻角下的效果较好,升力系数可提高37.11%,且可减缓流动分离向前缘发展,提高气流下洗能力;攻角较大时,气动弹片可以减小翼型在接收点处的噪声总声压级的4.23%,且翼型噪声总声压级在指向性分布上呈现偶极子特性。

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。

在非均匀双三次B-样条函数的基础上,导出自由曲面任意点的法矢量通用算法,进而提出自由曲面测头半径补偿公式;为了更好的消除自由曲面测量中的定位误差,提出了应用单纯形法,对测量原始点进行坐标平移和旋转变换,从而较好的解决了曲面匹配问题.

垂直轴风力机的气动特性非常复杂，采用工程气动模型会有较大误差，因而本文针对NACA0012翼型，基于滑移网格技术，并选用Spalart—Allmaras方程湍流模型和基于压力的Simple算法对H行垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算，整个计算结果通过了严格的网格数和计算区域验证。同时，本文通过对流场的分析，获得了风力机的动态失速与升阻力系数等气动特性，计算结果对H轴风力机的设计与开发具有一定理论价值。