风力机和螺旋桨的气动力数值模拟方法研究

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风力机和螺旋桨是旋转机械的代表,在工程领域有着非常重要的应用。准确预测风力机和螺旋桨的空气动力学特性对其整体性能的设计与评估起决定性的作用。风力机叶片和螺旋桨桨叶的旋转亦对流场中的其他物体具有干扰,风电场布置时风力机的相互流动影响和涡桨发动机的滑流效应都是这种旋转机械在实际运行中遇到的典型问题。  本文利用计算流体力学手段,对风力机和螺旋桨分别讨论各自适合的计算方法和工程简化手段。  风力机问题的研究主要分为三部分:首先,依托于NREL PhaseⅥ标模实验,探究适合于风力机的计算方法。通过分析流动的非定常性,选择适合的叶片旋转处理方法,并通过不同湍流模型得到的轴扭矩、表面压力分布、表面极限流线等计算结果与实验的对比,选择适合风力机问题的计算参数。然后,将风力机空气动力学计算方法在工程实际问题中进行应用,利用选择出的湍流模型和其他计算方法分析研究某型失速控制型风力机和另两种商用大型桨距控制型风力机的空气动力学特性,并与风场实测结果或二维动量叶素设计结果进行比较。最后,针对风电场布置等问题,研究了风力机流场的简化计算方法,提出非定常的时变分区等效盘和定常的均匀等效盘,分析了两种等效盘方法的适用范围,着重对比了内存空间和计算时间的消耗。  螺旋桨方面主要研究了的涡桨发动机的滑流问题,分为三部分:首先,针对无攻角和小攻角工况,应用三维全叶片螺旋桨非定常计算和基于动量理论的经典等效盘模型进行流动计算,对两种模型的计算结果进行比较,并对比分析了螺旋桨滑流效应对机翼气动性能的影响。然后,针对较大攻角情况时经典等效盘模型计算的不准确性,分析螺旋桨涡轮圆盘上不同区域的流动差异,提出等效盘分区的改进方法。进而通过优化方法,确定等效盘不同区域上的参数。将非定常、经典等效盘、分区等效盘三种模型在大攻角时对滑流效应的模拟结果进行比较分析,检验分区等效盘模型的计算效果。最后,将经典等效盘方法和分区等效盘方法应用与真实螺旋桨飞机外形的计算中,讨论了滑流对飞机气动特性的影响。
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