水平轴大型风力机翼型非定常气动特性分析

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风力机翼型气动力的分析计算是叶片气动载荷和气动弹性分析的核心内容,准确地确定翼型气动特性是准确计算叶片气动载荷的前提。风力机的气流环境十分复杂,即使是定常流动状态,翼型攻角的变化也是非定常的,对于非定常的流动状态,翼型气动力变化更是一个复杂的动态过程,定常和准定常的翼型气动模型已不再适合于翼型气动载荷的计算,需要建立适当的非定常流场的翼型气动力模型。   本文基于状态空间描述的、改进的B-L动态失速模型,进行水平轴大型风力机翼型非定常气动力分析。模型采用不可压缩假设并忽略了前缘流动分离所产生的非定常效应。考虑气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应以揭示翼型在任意运动中的非定常气动力。模型用四个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中两个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另两个用于描述后缘分离效应。   利用该模型对FFA-W3-241翼型的分析结果表明,该模型无论是在附着流区域或失速区域均能较好地描述翼型的非定常气动特性:计算迟滞回线的方向与实验值一致,计算结果与实验结果吻合良好。   通过对NACA0012风力机翼型的非定常气动力分析表明,模型能较好地描述风力机翼型的动态特性。靠近叶尖的单元基本处于线性区,升力系数偏离静态值较小,基本呈线性变化。这是由于气流主要是附着流,流动分离的影响不大。当攻角变化范围位于失速区时,可以看到典型的失速的发生,这是由于所施加的条件已经足以引起较强的流动分离。动态失速点被延迟到比静态失速攻角更大的攻角,当失速真正发生时,失速的程度远较静态失速剧烈,并且失速一直保持到比静态失速更小的攻角。进入动态失速后的阻力特性,可以看出出现动态失速后,翼型并不是在迎角小于动态失速迎角后立即恢复到静态失速时的流场,而是对迎角的反应有一个迟滞,即在空气动力特性曲线上表现为一个迟滞现象。   最后还针对LM2风力机翼型建立了三自由度结构模型,进行了基于准定常状态假设下的气动弹性稳定性的数值模拟,得到了法向振动、弦向振动以及迎角的动力学响应。这为以后的相关研究工作奠定了基础。
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