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垂直轴风力涡轮机应用的脉冲环流控制俯仰翼型的气动响应
垂直轴风力涡轮机 (VAWT) 在城市、偏远地区和海上应用的开发中重新引起了人们的兴趣。过去的研究表明，在能量捕获效率方面，VAWT 无法与水平轴风力涡轮机 (HAWT) 竞争。在低叶尖速比 () 下，VAWT 性能受到动态失速 (DS) 效应的困扰，其中每个叶片每转一圈都会超过静态失速多次。此外，对于 <2，叶片在超过 70% 的旋转期间在失速之外运行。但是，VAWT 具有许多优势，例如全向操作、发电机靠近地面、更低的噪音排放以及使用寿命更长的非悬臂叶片。因此，减轻动态失速并改善 VAWT 叶片的空气动力学性能以提高功率效率是近年来的热门研究课题，也是本研究的方向。西弗吉尼亚大学过去的研究重点是增加循环控制 (CC) 技术以改善 VAWT 空气动力学并扩大操作范围。通过增强 NACA0018 翼型以包含 CC 功能，生成了一种新颖的叶片设计。收集了一系列稳定喷射动量系数 (0.01≤C ≤0.10) 的静态风洞数据，用于分析涡流模型性能预测。开发了控制策略以优化整个旋转过程中的 CC 喷射条件，从而提高了 2≤≤5 的功率输出。但是，产生稳定 CC 喷射所需的泵送功率使增强涡轮机的净功率增益降低了约 15%。这项工作的目的是研究脉冲 CC 喷射驱动，以匹配稳定喷射性能和降低的质量流量要求。迄今为止，尚未完成任何实验研究来分析俯仰翼型上的脉冲 CC 性能。本文描述的研究详细介绍了关于稳定和脉冲喷射 CC 对俯仰 VAWT 叶片空气动力学影响的首次研究。实施了数值和实验研究，改变了 Re 、k 和 ± 以匹配典型的 VAWT 操作环境。根据先前流动控制翼型研究的有效范围，分析了一系列降低的喷射频率 (0.25≤St≤4) 和不同的 C 。由于动态失速效应，发现翼型俯仰将基线升阻比 (L/D) 提高高达 50%。当 C =0.05 时，动态失速对稳定 CC 翼型性能的影响更大，在正攻角时 L / D 增加 115%。脉冲驱动可匹配或改善稳定喷气升力性能，同时将所需质量流量减少高达 35%。从数值流可视化来看，脉冲驱动可降低 DS 期间尾流涡度的大小和强度，从而导致相对于基线和稳定驱动情况的轮廓阻力较低。编制了一个俯仰翼型测试数据库，包括气动系数 (C l 、C d) 的过冲和滞后，以改进分析模型输入，从而更新 CCVAWT 性能预测，其中将直接反映上述 L / D 改进。相对于年功率输出为 1 MW 的传统 VAWT，WVU 之前的工作证明，增加稳定喷气 CC 可以将总输出提高到 1.25 MW。但是，产生连续喷气的泵送成本将 CCVAWT 的年度净收益降低到 1.15 MW。目前的研究表明，由于质量流量要求降低，脉冲 CC 喷射可以回收 4% 的泵送需求，从而将 CCVAWT 的年净发电量提高到 1.19 MW，相对于传统涡轮机提高了 19%。
垂直轴风力涡轮机应用中采用脉冲环量控制的俯仰翼型的气动响应
垂直轴风力涡轮机 (VAWT) 在城市、偏远地区和海上应用的开发中重新引起了人们的兴趣。过去的研究表明，在能量捕获效率方面，VAWT 无法与水平轴风力涡轮机 (HAWT) 竞争。在低叶尖速比 () 下，VAWT 性能受到动态失速 (DS) 效应的困扰，其中每个叶片每转一圈都会超过静态失速多次。此外，对于 <2，叶片在超过 70% 的旋转期间在失速之外运行。但是，VAWT 具有许多优势，例如全向操作、发电机靠近地面、更低的噪音排放以及使用寿命更长的非悬臂叶片。因此，减轻动态失速并改善 VAWT 叶片的空气动力学性能以提高功率效率是近年来的热门研究课题，也是本研究的方向。西弗吉尼亚大学过去的研究重点是增加循环控制 (CC) 技术，以改善 VAWT 空气动力学性能并扩大操作范围。通过增强 NACA0018 翼型以包含 CC 功能，生成了一种新颖的叶片设计。收集了一系列稳定喷射动量系数 (0.01≤C ≤0.10) 的静态风洞数据，用于分析涡流模型性能预测。开发了控制策略以优化整个旋转过程中的 CC 喷射条件，从而提高了 2≤≤5 的功率输出。但是，产生稳定 CC 喷射所需的泵送功率使增强涡轮机的净功率增益降低了约 15%。这项工作的目的是研究脉冲 CC 喷射驱动，以匹配稳定喷射性能和降低的质量流量要求。迄今为止，尚未完成任何实验研究来分析俯仰翼型上的脉冲 CC 性能。本文描述的研究详细介绍了关于稳定和脉冲喷射 CC 对俯仰 VAWT 叶片空气动力学影响的首次研究。实施了数值和实验研究，改变了 Re 、k 和 ± 以匹配典型的 VAWT 操作环境。根据先前流动控制翼型研究的有效范围，分析了一系列降低的喷射频率 (0.25≤St≤4) 和不同的 C 。由于动态失速效应，发现翼型俯仰将基线升阻比 (L/D) 提高高达 50%。当 C =0.05 时，动态失速对稳定 CC 翼型性能的影响更大，在正攻角时 L / D 增加 115%。脉冲驱动可匹配或改善稳定喷气升力性能，同时将所需质量流量减少高达 35%。从数值流可视化来看，脉冲驱动可降低 DS 期间尾流涡度的大小和强度，从而导致相对于基线和稳定驱动情况的轮廓阻力较低。编制了一个俯仰翼型测试数据库，包括气动系数 (C l 、C d) 的过冲和滞后，以改进分析模型输入，从而更新 CCVAWT 性能预测，其中将直接反映上述 L / D 改进。相对于年功率输出为 1 MW 的传统 VAWT，WVU 之前的工作证明，增加稳定喷气 CC 可以将总输出提高到 1.25 MW。但是，产生连续喷气的泵送成本将 CCVAWT 的年度净收益降低到 1.15 MW。目前的研究表明，由于质量流量要求降低，脉冲 CC 喷射可以回收 4% 的泵送需求，从而将 CCVAWT 的年净发电量提高到 1.19 MW，相对于传统涡轮机提高了 19%。
微型飞行器薄/弧形/反射翼型的开发，雷诺数为 60,000 至 150,000
图片列表 图 1.1：层流分离泡（Gad-El-Hak 提供）....................................................... 4 图 1.2：层流分离泡压力分布（Gad-El-Hak 提供）....................................... 7 图 1.3：表面油流 – 示例（Lyon 提供）................................................................. 9 图 1.4：表面粗糙度的影响（Gad-El Hak 提供）....................................................... 13 图 1.5：翻折翼型和未翻折翼型的阻力比较（Lyon 提供）.................................... 14 图 2.1：改进的 S5010 顶部 MCL（Shkarayev 提供）......................................................... 21 图 2.2：n 阶多项式 MCL 的示例............................................................................. 22 图 2.3：翼型形状参数的描述............................................................................. 23 图 2.4：n 阶 MCL 比较...................................................................................................... 24 图 2.5：带定义多边形和控制点的贝塞尔曲线............................................................... 26 图 2.6：带定义多边形和控制点的贝塞尔 MCL ............................................................ 28 图 2.7：贝塞尔 MCL 比较......................................................................................................... 28 图 2.8：贝塞尔翼型前缘形状细节......................................................................................... 30 图 2.9：贝塞尔翼型后缘形状细节.........................................................................................