[發(fā)明專利]一種垂直軸風力機翼型的氣動優(yōu)化設計方法

在審

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• 申請日: 2015-01-29
• 公開（公告）號: CN104573282A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發(fā)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

技術領域

本發(fā)明屬于風力機工程技術領域，特別是涉及一種垂直軸風力機翼型的氣動優(yōu)化設計方法。

背景技術

翼型是影響風力機氣動性能的重要因素之一，翼型的氣動設計是其它設計的基礎，它對整個風力發(fā)電機組的運行特性和使用壽命具有重要意義。早期垂直軸風力機設計使用的翼型大多為發(fā)展比較成熟、升阻特性較好的傳統(tǒng)NACA低速航空翼型，特別是對稱翼型。隨著風力機理論的發(fā)展和實踐經驗的積累，人們逐漸認識到垂直軸風力機葉片的氣動運行特性與航空機翼有很大差別，傳統(tǒng)的航空翼型并不能很好地滿足垂直軸風力機葉片的設計和使用要求，需要設計出適合垂直軸風力機葉片的翼型。風力機通常有水平軸風力機和垂直軸風力機兩種類型，但兩者的運行狀態(tài)有較大的差異，前者在任一半徑截面處的入流角和攻角幾乎不變，而后者在運行過程中入流角和攻角不斷變化且變化范圍較大。雖然水平軸風力機的氣動設計理論已相當成熟，但并不適用于垂直軸風力機的氣動設計，使得垂直軸風力機的氣動設計技術發(fā)展緩慢。同時，兩者運行狀態(tài)的差異也使得垂直軸風力機無法像水平軸風力機一樣通過入流角、攻角、升力系數(shù)、阻力系數(shù)等物理量來解析求解風輪的風能利用系數(shù)值，更難以通過解析的方法來對垂直軸風力機翼型進行氣動優(yōu)化設計，因此，亟需開發(fā)出適用于垂直軸風力機翼型氣動優(yōu)化設計的方法。目前關于垂直軸風力機翼型氣動優(yōu)化設計方法的研究較少，僅有的一些研究也只是對翼型局部的改良或修型，對由多個翼型幾何參數(shù)控制下的完整翼型全局智能優(yōu)化設計未見有公開的報道。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術的不足而提供一種垂直軸風力機翼型氣動優(yōu)化設計方法，本發(fā)明能夠解決傳統(tǒng)優(yōu)化算法存在的計算量大且難于尋求到全局最優(yōu)解的問題，同時以整個風輪的風能利用率最大為優(yōu)化目標，解決了難于對不斷變化且變化幅度較大的葉片瞬時攻角進行優(yōu)化的問題。

根據本發(fā)明提出的一種垂直軸風力機翼型的氣動優(yōu)化設計方法，其特征在于包括確定翼型氣動優(yōu)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(yōu)化設計模塊，從而實現(xiàn)整個優(yōu)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(shù)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(xié)同作用來降低優(yōu)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(yōu)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(shù)為設計變量，以翼型幾何參數(shù)的變化范圍為約束條件，以整個風輪的風能利用系數(shù)最大為目標函數(shù)；

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(shù)據處理得到響應值的集合；該試驗設計模塊包括翼型參數(shù)化模塊、網格劃分模塊、氣動計算模塊和數(shù)據處理模塊；該試驗設計模塊通過選擇對應的翼型參數(shù)化方法編寫翼型參數(shù)化程序，實現(xiàn)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(shù)進行數(shù)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(shù)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(shù)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(yōu)化設計模塊：選擇對應的優(yōu)化算法對得到的近似模型進行優(yōu)化，若結果能夠滿足設計要求，則得到優(yōu)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(shù)，并重復上述過程，直至達到設計要求。

本發(fā)明提出的一種垂直軸風力機翼型的氣動優(yōu)化設計方法的進一步優(yōu)選方案是：

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(yōu)設計法、Plackett-Burman設計法、正交數(shù)組法、均勻設計法、拉丁超立方抽樣法或Hammersley序列抽樣法。

步驟2所述的翼型參數(shù)化模塊的翼型參數(shù)化建模設計，可選擇多項式擬合法或解析函數(shù)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(shù)可以為多項式型函數(shù)、Wagner型函數(shù)或Hicks-Henne型函數(shù)。