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翼缝改形对翼型流动分离控制影响

热能动力工程 2020年第12期35卷 169-176页

作者：徐学昊叶舟韩彦军李春上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室上海200093

为提高风力机的风能利用率,基于数值模拟方法,以NACA0018翼型为基准翼型,在传统翼型翼缝基础上设计出双弧形翼缝,分析翼缝相对位置(x/c)及翼缝数量对翼型流场结构及升阻力特性的影响。结果表明:在翼缝相对宽度h为1.0%c时,翼缝位于翼型... 详细信息

为提高风力机的风能利用率,基于数值模拟方法,以NACA0018翼型为基准翼型,在传统翼型翼缝基础上设计出双弧形翼缝,分析翼缝相对位置(x/c)及翼缝数量对翼型流场结构及升阻力特性的影响。结果表明:在翼缝相对宽度h为1.0%c时,翼缝位于翼型中部位置时翼型气动性能改善最优;当攻角α为20°时,双弧形单翼缝翼型翼缝相对位置x/c=0.5,最大升力系数较原始翼型提高约34.1%,最大升阻比提高4.64倍;当攻角α为22°时,多翼缝翼型相对位置(x/c=0.4-0.5-0.6)最大升力系数较原始翼型提高约44.8%,最大升阻比提高7.13倍;双弧形翼缝翼型失速攻角最大可延迟8°,双弧形翼缝可显著改善翼型在大攻角下的气动性能。

关键词：双弧形翼缝文丘里效应数值模拟流动分离控制康达效应

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风力机叶片气动降载与流动分离控制技术综述

热能动力工程 2019年第9期34卷 1-13页

作者：郝文星李春刘青松邓允河上海理工大学上海市动力工程多相流动与传热重点实验室上海200093 雅图新能源科技有限公司广东深圳518000

风力机大型化已成为风电技术发展的主要趋势。但随之而来的叶片尺寸增大、气弹特性增强、多尺度流动等问题将导致叶片处于更加复杂严峻的风况及载荷环境。为提高叶片应对复杂风况及载荷的能力,提高叶片气动效率,有必要采用先进有效的流... 详细信息

风力机大型化已成为风电技术发展的主要趋势。但随之而来的叶片尺寸增大、气弹特性增强、多尺度流动等问题将导致叶片处于更加复杂严峻的风况及载荷环境。为提高叶片应对复杂风况及载荷的能力,提高叶片气动效率,有必要采用先进有效的流动控制技术以满足叶片气动降载与流动分离控制的需求。针对当前主流的流动控制技术进行了介绍,并对较具发展潜力的尾缘襟翼与自适应襟翼研究现状进行了重点介绍。现阶段流动控制技术并未在风力机叶片中得到广泛应用,一方面在于流动控制技术尚难与叶片现有主体控制技术相结合,以达到相辅相成的控制效果;另一方面在于对于部分控制技术,如自适应襟翼等,其控制特点尤其是其在风力机实际运行中的控制特点尚不明确。后续研究中,对于叶片气动降载,应结合更为先进的控制方法与更可靠的研究手段开展尾缘襟翼控制与叶片主体控制的协同控制研究;对于流动分离控制技术,应侧重于改善被动控制技术在非适用工况下的不良影响,同时开展流动控制技术在整机中的实验与数值研究,加快流动分离控制技术的实际应用。

关键词：风力机叶片气动降载流动分离控制尾缘襟翼自适应襟翼

非定常等离子体激励对大攻角流动分离控制的数值模拟研究

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科学技术与工程 2024年第8期24卷 3442-3450页

作者：呼宝鹏兰世隆黄一翀林海奇傅瑜王勇北京宇航系统工程研究所北京100076 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

应用交流电(alternating current,AC)介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体流动控制由于其结构简单、响应频率快、可实现实时定量控制等优点,正在成为等离子体流动控制技术的重点研究方向。结合基于分离涡模拟(detac... 详细信息

应用交流电(alternating current,AC)介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体流动控制由于其结构简单、响应频率快、可实现实时定量控制等优点,正在成为等离子体流动控制技术的重点研究方向。结合基于分离涡模拟(detached eddy simulation,DES)和等离子体唯象体积力模型的方法研究非定常等离子体激励对NACA0015翼型在攻角为20°情况下流动分离控制。结果表明:非定常等离子体激励在高雷诺数、大攻角下对翼型分离具有明显的控制效果,可以达到增升减阻目的,且流动控制效果比定常激励效率更高;非定常等离子体激励流动控制与定常等离子体激励流动控制机理不同,非定常等离子体激励通过促进分离区内速度脉动,对流场产生非定常的干扰,使得分离剪切层提前失稳,增强流场涡结构的掺混,从而抑制流动分离。

关键词：分离涡模拟(DES) 流动分离控制非定常等离子体激励

基于介质阻挡放电等离子体的动态失速翼型流动分离控制研究

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基于介质阻挡放电等离子体的动态失速翼型流动分离控制研究

作者：余昊成华中科技大学

学位级别：硕士

动态失速是一种广泛存在于直升机尾翼、涡轮机叶片以及风力机叶片中的复杂空气动力学现象。动态失速的出现会带来诸如气动力振荡、升力骤降以及气动迟滞等不利影响。在实际的工程问题中,为了改善动态失速过程中的气动性能,提升气动装置... 详细信息

动态失速是一种广泛存在于直升机尾翼、涡轮机叶片以及风力机叶片中的复杂空气动力学现象。动态失速的出现会带来诸如气动力振荡、升力骤降以及气动迟滞等不利影响。在实际的工程问题中,为了改善动态失速过程中的气动性能,提升气动装置的气动效率,可以采用一些流动控制技术对动态失速进行控制。本文开展了基于新型介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)等离子体激励技术的NACA0015翼型动态失速控制的数值模拟研究。采用了二维非定常雷诺平均(Unsteady Reynolds-Averaged Naiver-Stokes,URANS)方法解析了交流(Alternating Current,AC)电压和纳秒(Nanosecond,NS)脉冲电压等离子体激励下动态失速控制过程中的流场演化。其中,AC DBD和NS DBD等离子体放电对流动的影响分别使用体积力模型和自相似等离子体模型进行模化。研究了两种雷诺数(Reynolds number,Re)条件下动态失速的控制过程,并将NS DBD等离子体的控制机理和控制效力与传统的AC DBD等离子体进行了详细的比较。结果表明,在中等雷诺数Re=2.5×10条件下,AC DBD产生的射流或NS DBD产生的残热通过激发剪切层的不稳定性从而会诱导生成大尺度的展向涡,该展向涡将外部高速气流引入分离区域,改变了翼型吸力面原有的流动结构,从而实现对动态失速的控制。对于中等雷诺数的流动,AC和NS DBD等离子体激励器在的控制效力相当,都能实现对动态失速的有效控制。等离子体周期性的激励有效减小了气动力的振荡,改善了气动力的迟滞效应,加速了流动的再附过程。然而,在Re=7.5×10的高雷诺数条件下,NS DBD与AC DBD在动态失速的控制中表现出了显著的差异。在NS DBD等离子体激励下,分离被明显的抑制,翼型升力获得大幅度提升,气动力的迟滞效应几乎完全消除;而AC DBD对流动几乎无法产生实质性的影响。通过对流场详细的分析发现,AC DBD放电产生的射流速度与外流相比非常小,无法对流动产生实质性的扰动,因此AC DBD在当前的控制中基本失效。而NS DBD等离子体放电产生的残热会沿着壁面向下游移动,到达分离点附近才会诱导生成一个展向涡。这一独特的热对流特性扩大了NS DBD等离子体激励器的影响范围,使得控制过程变得更加灵活高效。最后,探究了中等雷诺数条件下NS DBD等离子体激励频率对动态失速控制效力的影响。结果表明,激励频率较小时,翼型中间弦长处会直接形成大尺度的分离涡;激励频率较大时,密集放电产生的诱导涡会彼此融合形成更大的分离涡;而在激励频率适中时,诱导涡在翼型吸力面彼此独立,并且推动着翼型上方的分离涡向下运动。在当前的研究中,所有频率的等离子体激励都能提升动态失速阶段的升力、改善气动力的迟滞效应、加速流动再附过程。而频率为5.0和6.25的等离子体激励能展现出最佳的控制效果,流动再附阶段的升力和流动的再附角都能实现最大程度的提升。

关键词：翼型动态失速 DBD等离子体激励器流动分离控制数值模拟

多电极等离子体激励器特性及其对流动分离控制的研究

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多电极等离子体激励器特性及其对流动分离控制的研究

作者：邵霄哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

风能作为一种清洁可再生能源,其在世界各国新能源的占比逐年提高。风力发电机作为风能利用的主要装备,其性能制约着整个风电行业发展的规模。如何提高风力发电机的发电效率已成为全球范围内的研发重点。其中,改善风机叶片的空气动力学... 详细信息

风能作为一种清洁可再生能源,其在世界各国新能源的占比逐年提高。风力发电机作为风能利用的主要装备,其性能制约着整个风电行业发展的规模。如何提高风力发电机的发电效率已成为全球范围内的研发重点。其中,改善风机叶片的空气动力学性能是提升风机效率的一个重要技术途径。而当流动分离发生时,风机的空气动力学性能便会急剧恶化。基于此,本文提出了利用介质阻挡放电等离子体激励器对风机叶片进行流动分离主动控制的实验研究。通过改变电极数目和电路连接方式,提出了五种具有多个掩埋电极的锯齿形等离子体激励器(A-E)布局方案。对采用不同布局方案的锯齿形等离子体激励器的诱导射流速度、推力、诱导流向涡量以及电功耗进行系统的研究;在相同功耗下,通过油流可视化技术,分析激励器诱导流动的拓扑结构,初步解释诱导射流速度提升和涡量增大的潜在机理;将激励器应用于NACA 4412翼型的流动分离控制。探究等离子体激励器在定常模式和非定常模式激励下对翼型升力的影响,确定最优的非定常激励参数组合。通过烟线流动显示技术,阐述最佳激励工况下翼型升力提升的作用机理。研究结果表明,激励器C,即由三个正向高压直流电+V激励的掩埋电极和一个交流电压V激励的裸露电极组成,其性能优于其他布局方式下的激励器,其最大诱导射流速度u和最大涡量ω分别高达6.83 m/s和650 s。在相同的功耗下,激励器C的u比激励器F(只有一个掩埋电极的传统锯齿形激励器)提高26.5%。此外,激励器C在优化翼型空气动力学性能方面具有更好的效能。在Re=1.0×10时,激励器C的定常激励将NACA 4412翼型的失速攻角延迟4°,并且使最大时均升力系数C提升8.1%。最优非定常激励参数,即无量纲调制频率F(=fc/U,其中f是调制频率,c和U分别是机翼弦长和自由流速度)和占空比DC分别为1.4和7%。在最优非定常激励下,失速角从17°延迟到22°,较无控制工况提高5°。在α=22°时,时均升力系数C提升101%,同时较定常激励可节省功耗93%。在定常激励下,激励器C壁面法向的速度脉动触发了展向涡结构的生成。在最佳非定常激励下,脉冲等离子体射流诱发剪切层的不稳定性,使得剪切层卷起,形成周期性地大尺度旋涡结构,沿着吸力面向翼型尾缘发展,吸力面形成负压区,因此能够获得更大的失速角延迟和升力提升。

关键词：等离子体激励器掩埋电极 NACA 4412 流动分离控制

研究非稳态锯齿型等离子体激励器在流动分离控制中的应用

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研究非稳态锯齿型等离子体激励器在流动分离控制中的应用

作者：付小东哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

对于流动分离的主动控制研究一直以来都是流体领域非常关注的课题,本文主要研究内容为使用非稳态正弦激励下的锯齿型等离子体激励器控制NACA0015机翼的表面流动分离现象,并研究了在非稳态控制下锯齿型等离子体激励器对于流动分离的控制... 详细信息

对于流动分离的主动控制研究一直以来都是流体领域非常关注的课题,本文主要研究内容为使用非稳态正弦激励下的锯齿型等离子体激励器控制NACA0015机翼的表面流动分离现象,并研究了在非稳态控制下锯齿型等离子体激励器对于流动分离的控制机理。本文首先研究了无风状态下装置于平板上的锯齿型等离子体激励器在非稳态激励下工作特性,并对其功耗、射流速度与诱导产生涡进行了测量与分析;之后研究了应用非稳态锯齿型等离子体激励器对于风洞中机翼模型气动效应的影响;最后通过PIV研究了非稳态锯齿型等离子体激励器对流动分离的控制机理。研究发现非稳态等离子体激励器功耗与脉冲频率无关而与占空比有线性关系;其诱导产生的平均射流速度同样与脉冲频率无关,与占空比正相关。通过对流显结果研究显示非稳态激励下锯齿型等离子体激励器可以诱导产生由齿槽出发方向指向齿尖的一对涡,涡对仅在单脉冲内脉冲开的区域出现,脉冲关后迅速消失。风洞中对于机翼气动效应的研究发现机翼攻角为16度来流速度6m/s时,非稳态激励下锯齿型等离子体激励器可以有效控制流动分离,大大增加了机翼升力系数。测量结果分析表明,在非稳态激励脉冲频率F=0.6,占空比5%对于流动分离控制效果最佳,失速角延迟3度,而升力系数增加27.5%,而使用稳态激励的锯齿型激励器失速角延迟5度,升力系数仅增加9%。可以看出在非稳态激励下锯齿形等离子体激励器不但可以有效增大控制效果,并且可以大幅度节省功耗。对于PIV研究结果表明,激励器在非稳态激控制下会产生脉动式放电,通过此放电形式,会对流场产生强烈扰动,将动能由外部高能流体传递至机翼附近的剪切层,从而导致流动再附的发生。

关键词：流动分离控制等离子体激励器 NACA0015翼型非稳态激励

基于线性遗传规划控制的后向斜坡流动分离控制研究

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基于线性遗传规划控制的后向斜坡流动分离控制研究

作者：刘宇同哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

如何减小流动分离一直是工程应用中的热门课题。事实上，减少流动分离在地面和空中交通工具减小阻力、提升推进效率、增加升力和降低噪音等方面发挥着关键作用。流动问题有着非常复杂的物理机理，湍流相干结构十分复杂，流动控制问题几... 详细信息

如何减小流动分离一直是工程应用中的热门课题。事实上，减少流动分离在地面和空中交通工具减小阻力、提升推进效率、增加升力和降低噪音等方面发挥着关键作用。流动问题有着非常复杂的物理机理，湍流相干结构十分复杂，流动控制问题几乎不可能采用数学建模的方法进行研究。随着现代计算机计算能力和数学优化算法的提升与改进，人工智能/机器学习算法已开始广泛应用于流动控制领域。本论文首次使用线性遗传规划控制（LGPC）的机器学习控制方法对二维平滑斜坡上的流动分离进行控制研究。首次提出使用10个分布式吸气-吹气激励器和10个分布式速度/压力传感器减小后向斜坡上的回流区域面积，。　　本文首先调查了现有的流动分离控制研究。上世纪的流动分离控制研究多采用被动控制的方法，即通过在斜坡前沿设置一些涡流发生器来影响流场，提升湍流度使流场附着性更强，减小流动分离区域面积。进入二十一世纪以后，前沿的流动控制研究主要采取主动控制措施，向流场中输入额外能量影响流动状态。主流的实验器材有电磁阀和等离子体激励器等。如优化算法通过控制电磁阀来开关气阀出口，改变频率和占空比分别控制吹气的频率和动量，改变流场提升工程性能。但大部分主动流动控制研究采用开环控制方法，只能优化单一工况，抗扰动能力差。近年来陆续有少量研究采取闭环控制提升控制效果和系统自适应能力，即系统的鲁棒性。闭环控制带来的鲁棒性极大地提升了研究成果用于工程实践中的可行性。但由于流体是个严重的非线性模型，很难进行数学建模并采取经典控制或现代控制理论中的方法优化控制律。本研究调查了一些机器学习在流体问题中的应用，采用数据驱动的无模型机器学习算法，不需要对流场结构有任何先验的物理知识，通过设置一个目标成本函数并利用大量实验结果持续学习，机器学习往往能取得非常好的结果。一些机器学习优化方法，如本文所用的LGPC，不需要预设控制律形式，可以在更大的搜索空间内寻找最佳的非线性控制律。　　2017年，Kaiser等人采用数值仿真的方法，利用聚类控制算法成功在雷诺数7700条件下将一后向平滑斜坡上的回流区域面积减小至未施加控制时的23%。本研究选取相同的平滑后向斜坡模型，采用数值模拟的方法，提出使用一组沿斜坡均匀分布的10个吹气/吸气激励器作为控制输出，通过定义为再循环气泡面积大小的成本函数判断流动分离控制效果。本文设置了由5783个三角形网格和11884个顶点的计算网格组成的斜坡流动仿真计算域，利用FROTRON求解器计算流场信息。该求解器采用隐式有限元的方法，在空间上达到了二阶精度，时间上达到了三阶精度。综合考虑计算时间和计算精度，本研究中的仿真计算时间步长取0.025。本文详细描述了研究中用到的MATLAB控制程序和CFD求解器如何通过一个等待文件完成联合仿真模拟。综合平衡计算量与课题实用性，本文主要研究斜坡模型在雷诺数Re=1000条件下的平流情况。本文测试了所用的仿真系统能准确获得1000雷诺数下准确的流场状态，并使用一个周期性的开环控制测试仿真系统运行效果及所用激励器的效率。对比分析了未施加控制时雷诺数Re=1000条件下的自然流和雷诺数Re分别为500，1000，1500时采用开环控制下的回流区域面积大小，周期性控制在雷诺数为500的条件下减小了62%的回流区域面积，但在不同雷诺数下的鲁棒性表现较差，在雷诺数为1000和1500时只能减少约40%的回流区域面积。　　本文详细介绍了遗传规划算法，以及如何用该机器学习算法优化控制问题。遗传规划算法属于进化算法，受达尔文进化论中“适者生存”思维的影响，通过给定的成本函数评估种群中某代全部个体的控制效果并排序所有个体，判断应具体采取何种遗传操作生成下一代。受遗传生物学启发，进化操作包括：精英/复制，交叉和编译。具体操作为最佳的精英和某一小部分个体直接保留进入下一代;部分个体的信息互相交叉模拟生物的染色体交换形成下一代;部分个体基因通过突变生成全新控制律。其中精英直接保留的做法确保了算法结果的收敛性，突变操作能让系统更容易跳出局部最优解，在全局控制律搜索空间内搜索全局最优解。相比于一些参数优化算法如极值搜索算法或普通遗传算法，遗传规划算法无需预设控制律形式，且控制律搜索空间更广泛。本文采取的线性遗传规划算法，使用矩阵存储操作对象及操作符。本文尝试使用遗传算法和线性遗传规划控制来控制洛伦兹混沌系统状态。经过40代个体的进化后，遗传算法优化过的控制律在一个较小的成本内将系统控制到原点。而线性遗传规划控制算法在极短的时间内（第5代）找到了更高效的控制律，用更少的成本将系统状态控制回了原点。根据分析结果，线性遗传规划控制优化得到的控制律具有复杂的非线性结构，传统遗传算法只能对线性控制律进行参数优化。　　本文首先尝试在斜坡末端的竖直方向上均匀设置10个速度传感器获取速度数据，计算并反馈所在位置

关键词：流动分离控制机器学习线性遗传规划流动控制

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研究等离子激励器在流动分离控制中的应用

研究等离子激励器在流动分离控制中的应用

作者：路宗燕哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

机翼流动分离控制是流体领域中的一个重要课题,这是由于军事或商业飞机在大攻角下都非常容易发生流动分离,从而引起升力锐减阻力陡升。本文的主要内容是实验研究基于锯齿形等离子激励器在NACA0015机翼流动分离控制中的应用效果,从而得... 详细信息

机翼流动分离控制是流体领域中的一个重要课题,这是由于军事或商业飞机在大攻角下都非常容易发生流动分离,从而引起升力锐减阻力陡升。本文的主要内容是实验研究基于锯齿形等离子激励器在NACA0015机翼流动分离控制中的应用效果,从而得到流体再附着的机理。在失速角为16度和自由流速度为6 m/s时,本文中通过将等离子激励器应用在机翼前缘来控制机翼流动分离。对传统型和锯齿形等离子激励器的流动分离控制效果进行了测试。与传统型等离子激励器的放电比较,锯齿形等离子激励器沿上电极边缘产生间歇性放电。PIV结果显示,通过这种间歇性放电,锯齿形等离子激励器诱导产生明显地扰动,这促进了诱导流场与分离流体结构的相互作用,从而使动能传递到边界层,导致流体再附着到机翼表面。本文还研究了应用非稳态锯齿形等离子激励器对机翼流动分离控制的效果,利用测力天平测量了NCAC0015机翼的升力性能。结果表明,非稳态等离子激励器的控制效果比稳态等离子激励器更好,最大升力系数增加14%。激励频率与分离剪切层中涡的自然脱落频率相近时,其控制效果最优。最后一部分中,本文描述了一种新型等离子激励器(称为内半圆形等离子激励器)所诱导的涡结构及其发展的实验结果。该新型等离子激励器由内半圆形上电极和条形下电极组成的。通过PIV实验和油显实验对新型等离子激励器诱导流场进行了定性和定量分析,实验结果表明该新型等离子激励器能够产生在流向方向上空间分布较为稳定的流向涡,其最大涡量能达到1000 s-1。

关键词： NACA0015翼型流动分离控制等离子激励器主动控制

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水面结构物的流动分离控制

水面结构物的流动分离控制

作者：谢杰上海交通大学

学位级别：硕士

在穿透自由面的圆柱体及水面AHTS船模的尾流区均可观测到明显的流动分离现象,这是造成各种海洋结构物阻力性能恶化的重要原因。上海交通大学船模拖曳水池进行了使用生涡器控制流动分离的试验研究和CFD模拟。生涡器在机翼设计上已得到广... 详细信息

在穿透自由面的圆柱体及水面AHTS船模的尾流区均可观测到明显的流动分离现象,这是造成各种海洋结构物阻力性能恶化的重要原因。上海交通大学船模拖曳水池进行了使用生涡器控制流动分离的试验研究和CFD模拟。生涡器在机翼设计上已得到广泛的应用,其机理是在流动分离以前在边界层内触发小尺度涡,从而增加边界层底部的动量,抵抗流动分离的发生。圆柱体及AHTS船模的拖曳试验结果表明,在自由面兴波的影响下,生涡器仍可有效抑制流动分离,对于改善海洋结构物的阻力性能具有重要意义。

关键词：流动分离控制生涡器阻力优化圆柱绕流船体绕流