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无序风场中涡流对多元素翼型帆升力的作用机理研究

批准号:
52101359
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
洪智超
依托单位:
学科分类:
船舶工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
洪智超

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
风帆助航技术能节约10%—30%的船舶燃油消耗,但翼帆的失速角小及最大升力不足制约了其节能效率的提高。针对翼帆在无序风场中的失速及形态被动变化问题,项目拟利用吸力面涡能改变翼帆表面流场及升力的特性,使用转捩湍流模型和粒子图像测速法(PIV)对涡绕翼帆表面流动展开研究,获得吸力面涡的产生、演化及消失的特性,明确涡的强度与失速角及最大升力提升之间的关系,探索涡与多元素翼帆缝隙耦合作用下吸力面流场及压力场的变化规律,揭示吸力面涡对多元素翼帆的失速推迟及升力提升的机理。在此基础上,提出利用涡发生器制造可控涡对翼帆表面流场进行动态干预的方案,以翼帆的运动参数、涡发生器的几何、位置及运动参数为变量建立翼帆升力数学模型,并利用约束模型方法和傅里叶积分方法计算其流体动力系数。研究结果不但能为翼帆的设计提供理论依据,也能对海上风机的性能研究提供参考。
英文摘要
The sail aided technology can save 10%-30% of ship fuel consumption, but the small stall angle and insufficient maximum lift of the wing sail restrict the improvement of energy saving. Stall and shape changed passively take place when the wing sail operated in the disordered wind field. Vortex is capable of changing the flow field of the suction surface and the characteristics of the lift. The project intends to use transition turbulence model and the method of particle image velocimetry (PIV) to study the vortex flow around the wing surface. The formation, evolution and disappearance of features of vortex will be obtained. The relationship between vortex strength, stall Angle and maximum lift will be defined. Variation of flow field and pressure field on suction surface under the coupling action of vortex and multi-element wing-sail gap will be investigated to reveal the mechanism of delay of stall and lift enhancement of multi-element wing sail caused by suction surface vortexes. Based on this, using vortex manufactured by Mechanism of delay of stall and lift of multielement wing sail caused by suction surface vortexes to disturb the flow field on the wing surface dynamically. A mathematical model of motion-lift will be established based on the movement parameters of the wing, the geometry, location and the movement parameters of the vortex generator. In order to amend the mathematical model of motion-lift, the hydrodynamic coefficients are analyzed by constraint model method and Fourier-integral method. The research results can not only provide a theoretical basis for the design of the wing sail, but also provide a reference for the performance research of the offshore fan.
本项目聚焦于吸力面涡流对翼帆升力特性的影响机制研究,深入揭示了多元素翼帆形态变化与涡流流动特性、吸力面压强分布之间的耦合关系。通过系统研究不同形态涡发生器产生的涡流对翼帆周围流场的作用机理,阐明了涡流绕吸力面流动的演化规律,并定量分析了涡流与吸力面之间流动分离的相互作用机制。鉴于多元素翼帆流动分离的影响因素具有多维性和复杂性,研究采用对比分析方法,通过单元素翼帆、多元素翼帆、带涡发生器翼帆和反弓形多元素翼帆等多种工况的模型试验,系统揭示了各因素对翼帆气动性能的影响规律。.研究首先通过理论分析和实验验证,明确了多元素翼帆流动分离的临界条件,建立了流动分离判据,为翼帆的优化设计提供了重要的理论支撑。基于大量实验数据的系统分析,项目总结归纳了多元素翼帆在不同工况下的最佳流动特性,并提出了最优涡发生器动态响应策略。研究发现,在带有涡发生器的翼帆模型中,涡流的产生与吸力面流动的相互作用显著改善了翼帆的升力性能,且不同翼帆形态对流动分离的控制机制存在显著差异。.本项目取得的主要创新成果包括:第一,揭示了吸力面涡流与翼帆升力之间的内在作用机理,建立了定量描述模型;第二,提出了多元素翼帆在不同工作条件下的流动分离临界条件判据,为翼帆的优化设计提供了理论指导;第三,制定了多元素翼帆涡发生器的最优动态响应方案,显著提升了翼帆的气动性能与能量转换效率。这些研究成果不仅为翼帆设计、风能利用及其他空气动力学领域提供了重要的理论支撑,而且具有显著的应用价值。基于本研究改进的翼帆设计方案,能够在复杂流动环境下实现升力生成效果的优化,从而提高能源转换效率,对推动风能发电技术的创新发展具有重要意义。
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