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许和勇副教授在工程技术领域顶级刊物Energy上发表学术论文
2017-02-19 09:51   审核人:

航空学院流体力学系许和勇副教授以第一作者兼通讯作者在工程技术领域顶级刊物Energy上发表了题为“Delayed Detached Eddy Simulation of the Wind Turbine Airfoil S809 for Angles of Attack up to 90 Degrees”的学术论文,在风力机翼型宽迎角范围下的气动特性计算和流场结构分析方面取得研究进展。

随着世界能源短缺和供应安全形势的日益严峻以及全球应对气候变化呼声的日益高涨,风能利用在世界各国能源战略中的地位不断提升。风能利用效率与风力机叶片的空气动力学特性密切相关,其中如何准确高效地获取叶片的气动性能尤其是分离流阶段的气动特性至关重要。

目前,风力机叶片气动特性分析主要有实验测量、理论近似分析、计算流体力学(CFD)三个主要途径。CFD方法可以通过计算机模拟比较真实地再现风力机叶片的复杂流场,在风力机气动分析中受到越来越多的关注和应用。由于湍流模拟的复杂性,CFD方法又分为直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)、雷诺平均模拟(RANS)三个主要方法。三者计算量逐渐递减,但计算精细程度也逐渐递减。为了在计算量和计算精细程度二者之间取得最佳平衡,近些年发展了脱体涡模拟方法(DES)、延迟脱体涡方法(DDES)等多种LES/RANS混合方法。

论文采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的DDES方法和RANS方法对风力机翼型S8090度~90度迎角范围内的流动进行了系统的数值模拟,涵盖了附着流阶段、弱分离阶段、失速阶段、大迎角深失速阶段。在进行严格的网格收敛性和时间步长收敛性验证的基础上,论文分别采用3D DDES3D URANS2D URANS2D RANS对上述宽范围的迎角状态进行计算,并且与风洞实验测量值和文献2D RANS计算值进行了对比分析,特别是着重对比分析了3D DDES3D URANS的升力系数时间历程、切片涡量图和流线、表面压强系数曲线、速度梯度张量第二不变量等值面(一种描述空间涡结构的方法)、雷诺应力分布云图等。研究结果表明:3D DDES0度~90度全部迎角范围内均与实验值较为吻合;2D URANS3D URANS对分离流动的预测值偏大;2D RANS30度迎角前的分离流动预测值偏大,之后又偏小;在小迎角附着流动状态下,所有方法均与实验值相吻合。在流场结构的描述方面,RANS方法的二维特性明显,缺乏三维特性的预测能力,而DDES方法则可以捕捉到分离流动的三维结构,例如涡的破碎和发展、流向涡管结构等,更加符合分离流动的实际结构。

论文的研究结论加深了对翼型在0度~90度迎角范围内气动特性和流场结构的理解,为风力机叶片气动性能分析特别是失速特性分析提供了一种快速准确的数值模拟方法。

论文引用格式:Xu He-Yong, Qiao Chen-Liang, Yang Hui-Qiang, Ye Zheng-Yin. Delayed Detached Eddy Simulation of the Wind Turbine Airfoil S809 for Angles of Attack up to 90 Degrees. Energy, 2017, 118: 1090-1109.

期刊Energy简介:Energy期刊是Elsevier旗下的顶级学术刊物,主要刊发与能源相关的高水平论文,也是风能领域的顶级刊物。根据最新的SCI分区情况,Energy影响因子4.292,五年平均影响因子4.81,属于大类分区工程技术1区(top期刊),小类分区热力学1区、能源与燃料2区。  (审核:李栋

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