[發明專利]一種垂直軸風力機翼型的氣動優化設計方法

在審

• 申請號: 201510047830.4
• 申請日: 2015-01-29
• 公開（公告）號: CN104573282A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 宋晨光;鄭源;趙振宙;吳國慶;姜鎬;張玉全;劉惠文;高翀恒;闞闞;孫斌
• 申請（專利權）人: 河海大學;南京河海科技有限公司
• 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: 吳樹山

1.一種垂直軸風力機翼型的氣動優化設計方法，其特征在于包括確定翼型氣動優化設計內容和通過Isight平臺集成及控制試驗設計模塊、近似模型模塊和優化設計模塊，從而實現整個優化設計過程的自動化運行，其中，所述試驗設計模塊為近似模型模塊提供樣本數據和響應值的集合，同時以試驗設計模塊和近似模型模塊兩者的協同作用來降低優化設計模塊的計算量，具體實施步驟如下：

步驟1，確定翼型氣動優化設計內容：以任意形狀的翼型為基準翼型，以控制翼型幾何形狀變動的參數為設計變量，以翼型幾何參數的變化范圍為約束條件，以整個風輪的風能利用系數最大為目標函數；

步驟2，構建試驗設計模塊：選擇對應的試驗設計方法進行試驗設計，自動生成若干組滿足設計變量約束條件的試驗樣本后，再通過流體力學的精確計算和對計算結果的數據處理得到響應值的集合；該試驗設計模塊包括翼型參數化模塊、網格劃分模塊、氣動計算模塊和數據處理模塊；該試驗設計模塊通過選擇對應的翼型參數化方法編寫翼型參數化程序，實現翼型幾何形狀的變動和新翼型的輸出，然后對新翼型設計下的垂直軸風力機進行網格劃分和氣動計算，最后對得到的氣動參數進行數據處理；

步驟3，構建近似模型模塊：選擇對應的近似方法對試驗設計模塊得到的樣本數據和響應值的集合構建近似模型，得到輸入變量與輸出響應之間的映射關系；然后選取若干個隨機樣本對近似模型進行評估，若近似模型的近似效果較好，則用該近似模型代替高精度分析模型；若近似模型的近似效果較差，則通過在試驗設計中加入更多的樣本點或修改近似模型的參數來重新構建近似模型，直至近似效果達到精度要求；

步驟4，構建優化設計模塊：選擇對應的優化算法對得到的近似模型進行優化，若結果能夠滿足設計要求，則得到優化翼型；若結果不能夠滿足設計要求，則從步驟2開始重新修改方法和參數，并重復上述過程，直至達到設計要求。

2.根據權利要求1所述的一種垂直軸風力機翼型的氣動優化設計方法，其特征在于步驟2所述的試驗設計模塊的試驗設計方法，可選擇完全析因設計法、中心復合設計法、Box-Behnken設計法、D-最優設計法、Plackett-Burman設計法、正交數組法、均勻設計法、拉丁超立方抽樣法或Hammersley序列抽樣法。

3. 根據權利要求1所述的一種垂直軸風力機翼型的氣動優化設計方法，其特征在于步驟2所述的翼型參數化模塊的翼型參數化建模方法，可選擇多項式擬合法或解析函數線性疊加法，其中：多項式擬合法可以為PARSEC方法、Sobieczky方法或改進的Sobieczky方法，解析函數可以為多項式型函數、Wagner型函數或Hicks-Henne型函數。

4.根據權利要求1所述的一種垂直軸風力機翼型的氣動優化設計方法，其特征在于步驟2所述的網格劃分模塊和氣動計算模塊，均可通過編程或選擇商業軟件實現，其中：實現網格劃分的軟件包括Gambit、ICEM或HyperMesh，實現氣動計算的軟件包括Fluent、CFX或Fastran。

5.根據權利要求1所述的一種垂直軸風力機翼型的氣動優化設計方法，其特征在于步驟3所述的近似模型模塊的構建近似模型方法，可選擇樣條插值模型、多項式響應面模型、Kriging模型、徑向基神經網絡模型、支持向量機模型、泰勒級數模型或變復雜度模型的方法。

6.根據權利要求1或5所述的一種垂直軸風力機翼型的氣動優化設計方法，其特征在于步驟3所述的近似模型的近似效果較好，是指近似模型的預測值與精確值之間的誤差能夠滿足如下要求：相對平均絕對值誤差RAAE不超過10%，均方根誤差RMSE不超過10%，復相關系數R²大于0.9；所述的近似模型的近似效果較差，是指近似模型的預測值與精確值之間的誤差不能夠滿足前述要求。

7.根據權利要求1所述的一種垂直軸風力機翼型的氣動優化設計方法，其特征在于步驟4所述的優化設計模塊的尋優方法，可選擇復合形法、蟻群算法、遺傳算法、粒子群算法、模擬退火算法或人工神經網絡算法。