基于CFD方法的风力机叶片涡流发生器的气动特性研究

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涡流发生器(VGs)是控制风力机叶片流动分离的一种重要气动部件。空气流经VGs后产生高能量的翼尖涡向下游发展,并与其下游的低能量附面层流动混合,将能量传递给附面层流动,使得处于逆压梯度中的附面层流动获得附加能量后能够继续贴附在风力机叶片表面而不致分离,从而提高翼型的升力系数和风力机的输出功率。为深入研究涡流发生器对风力机叶片气动特性的影响,对不同位置、不同截面形状的涡流发生器对翼段及风力机叶气动特性开展详细的对比分析研究。  对VGs抑制流动分离的原理进行理论分析,以风力机专用翼型DU97-W-300为例,探讨了VGs对翼段气动特性的影响。对光滑翼段的气动特性开展数值仿真工作,通过计算得到的翼型气动特性曲线与实验结果的对比,验证了计算方法的可靠性;对不同弦向安装位置的三角形涡流发生器对翼段升阻力特性的影响进行研究,结果表明VGs能够增大翼型的最大升力系数,延迟大攻角状态下的流动分离;此外,VGs安装在20%弦长位置处对翼段的流动分离抑制效果最好。  针对VGs形状对流动分离的影响开展研究,计算了不同来流攻角条件下安装Clark-Y型和三角形VGs翼段的气动特性,通过计算分析,发现在0-17°范围内,Clark-Y型VGs的仿真结果与试验误差较小;对比三角形VGs的计算结果,发现在16.4°安装角条件下,两者对减小阻力系数的作用几乎相同。  以NREL5MW风力机叶片为对象,研究了叶片变桨变速条件下风轮功率和轴向推力的变化规律,与BEM方法结果进行对比验证计算方法的可靠性。以11.4m/s风速下光滑叶片的极限流线为依据,在不同轴向和弦向位置布置了10对矩形VGs,对加装VGs的风力机叶片气动性能进行数值模拟。数值计算结果表明,VGs有效地提高了风轮的输出功率,在11.4m/s风速时,输出功率增加了4.78%。
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