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。

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。

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。

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。

尾缘襟翼(TEF)因其对翼型气动特性的调控能力,被认为是降低叶片疲劳和局部载荷最具可行性的气动控制部件。对TEF进行建模,采用Xfoil和CFD软件分析了TEF对翼型气动特性的影响及其机理,并从叶素理论角度对变化来流下TEF的减载效果进行了验证,结果表明:TEF位于不同摆角时翼型升阻力系数均有不同程度的变化,TEF可有效实现对翼型气动特性的主动控制;TEF摆动改变了翼型表面的静压分布和流动状态,进而对翼型升阻力和失速攻角产生影响;TEF可快速有效降低风速突然增加后的叶素受力,进而控制并减小叶片载荷。

为捕获建筑环境中蕴藏丰富的高品质风能，结合高耸建筑的高度优势与建筑扩散体强化风速效应，将垂直轴风力机放置于不同建筑扩散体之间，通过数值模拟的方法研究建筑增强型垂直轴风力机在具有不同实度与不同翼型时的气动特性.结果表明:建筑扩散体可大幅提升风力机获能效率，建筑增强型垂直轴风力机较原始垂直轴风力机最大风能利用系数提升4.47倍，其最佳尖速比位置向右偏移，但其载荷波动较剧烈，且对建筑外廓敏感，其中圆弧形截面建筑可有效减小建筑分离涡造成的影响.随着实度的增加，建筑增强型垂直轴风力机风能利用系数先增大后因叶片间干扰而减小，其载荷波动和自启动性在多叶片时得到明显改善.对于不同系列的翼型，FXLV152翼型有助于减小疲劳累积损伤，最大厚度较大的NACA0021翼型有利于提高风力机的获能效率，S809非对称翼...

为了提升垂直轴风力机获能效率,为风力机叶片加装格尼襟翼并对格尼襟翼进行改进,通过数值模拟研究了两种格尼襟翼对不同实度的垂直轴风力机气动性能的影响。研究发现:当尖速比为3.1、实度为0.250时,原始格尼襟翼可提升10.92%的风能利用系数,改进型格尼襟翼可提升17.92%。在不同实度,改进型格尼襟翼在高尖速比时可较好地提升气动性能,而原始格尼襟翼在低尖速比时可较好地提升气动性能。当实度增大时,由于叶片间尾迹影响加剧而导致风能利用系数下降,但载荷波动情况得到改善;当实度为0.416时,载荷波动最小。