[發明專利]一種用于風力機的渦面/渦環混合自由渦尾跡方法

有效

• 申請號: 201410058577.8
• 申請日: 2014-02-20
• 公開（公告）號: CN103902810B
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 許波峰;袁越;唐小衛
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 許方

1.一種用于風力機的渦面/渦環混合自由渦尾跡方法，其特征在于：包括以下幾個步驟：

步驟一：采集風力機中風輪和葉片的以下參數：風輪半徑R、風輪轉速Ω、來流速度葉素段數N_E、方位角一圈離散段數N_T和翼型數據；

步驟二：計算初始尾跡形狀，包括近尾跡渦面中節點在直角坐標系中三個方向的坐標、遠尾跡的葉根渦環中節點在直角坐標系三個方向的坐標和遠尾跡的葉尖渦環中節點在直角坐標系三個方向的坐標；

其中，近尾跡渦面中節點的計算方法為：

各邊界點距風輪中心距離表示為：

${\left(r_{bp}\right)}_g=\left\{\begin{array}{cc}{R}_t& g=1\\ R_t+\frac{\frac{2}{\mathrm{\π}}\arccos (1-\frac{g-1}{N_E})-0.1}{0.9}(R-R_t)& g=2,3,...,N_E+1\end{array}\right.$

式中，R_t為葉根與風輪中心的距離；

控制點距風輪中心距離為：

${\left(r_{cp}\right)}_h=\frac{1}{2}\[{\left(r_{bp}\right)}_h+{\left(r_{bp}\right)}_{h+1}\],h=1,2,...,N_E$

葉片在方位角為ψ_j時，第g個葉素邊界拖出的尾跡中壽命角為ζ_k的節點在直角坐標系中三個方向的坐標為：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_n(g,j,k)={\left(r_{bp}\right)}_{g}cos({\mathrm{\ψ}}_j-{\mathrm{\ζ}}_k)\\ y_n(g,j,k)={\left(r_{bp}\right)}_{g}sin({\mathrm{\ψ}}_j-{\mathrm{\ζ}}_k)\\ z_n(g,j,k)=\mathrm{\Δ}t\frac{{\mathrm{\ζ}}_k}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ζ}}{V}_0\end{array}\right.$

式中，V₀為來流速度的數值，Δζ為時間差Δt對應的壽命角步長，k表示尾跡離散后的節點序號，從葉片尾緣拖出的第一個渦線節點開始計數，k最大值等于尾跡總的壽命角除以步長，步長等于360度除以N_T；

遠尾跡的葉根渦環中節點在直角坐標系三個方向的坐標為：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{root}(j,k)={\left(r_{bp}\right)}_{1}cos({\mathrm{\ψ}}_j-{\mathrm{\ζ}}_k)\\ y_{root}(j,k)={\left(r_{bp}\right)}_{1}sin({\mathrm{\ψ}}_j-{\mathrm{\ζ}}_k)\\ z_{root}(j,k)=\mathrm{\Δ}t\frac{{\mathrm{\ζ}}_{control}}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ζ}}{V}_0\end{array}\right.$

式中，ζ_control為渦環控制點的壽命角；

葉尖渦環中節點在直角坐標系三個方向的坐標為：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{tip}(j,k)=Rcos({\mathrm{\ψ}}_j-{\mathrm{\ζ}}_k)\\ y_{tip}(j,k)=Rsin({\mathrm{\ψ}}_j-{\mathrm{\ζ}}_k)\\ z_{tip}(j,k)=\mathrm{\Δ}t\frac{{\mathrm{\ζ}}_{control}}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ζ}}{V}_0\end{array}\right.;$

步驟三：根據葉素理論計算葉片各葉素的入流角和迎角，確定葉素的附著環量、尾隨渦強度和脫體渦強度；

步驟四：計算近尾跡節點及渦環控制點的誘導速度，并確定新的尾跡形狀，包括近尾跡渦面和遠尾跡渦環；

步驟五：根據步驟四確定的新的尾跡形狀，計算葉素控制點的誘導速度；

步驟六：計算前述新的尾跡形狀的幾何殘差，該幾何殘差用新的尾跡形狀與初始尾跡形狀中各節點坐標的均方差表示，當幾何殘差小于設定的閾值時，該新的尾跡形狀收斂，進行步驟七；否則返回步驟三；

步驟七：計算葉片的氣動載荷及氣動性能。