[發明專利]一種考慮高湍流自由來流效應的風力機翼型氣動優化方法

有效

• 申請號: 201811097725.1
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109190283B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 李星星;楊科;張磊
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/02
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1.一種考慮高湍流自由來流效應的翼型氣動優化方法，根據復雜風場中風電葉片的高湍流入流特性，在滿足翼型基本設計需求的前提下，對翼型氣動效率、載荷隨來流擾動的敏感性進行優化，其特征在于，所述翼型氣動優化方法包括如下步驟：

SS1.確定目標翼型基本運行條件：

根據目標翼型所適用的風力機葉片的容量、長度以及目標翼型在風力機葉片展向上的適用位置，確定目標翼型的相對厚度以及在風力機葉片適用位置處的運行條件；

根據目標翼型在風力機葉片適用位置處的運行條件，確定目標翼型的運行攻角范圍、運行雷諾數條件和入流風湍流水平，

其中，

根據目標翼型所適用風力機葉片的容量以及長度，采用葉素動量理論分別計算得到切入風速、額定風速以及切出風速條件下目標翼型所適用風力機葉片展向位置附近的運行攻角范圍、運行雷諾數范圍，

目標翼型的入流湍流水平根據所適用風力機葉片的尖速比以及風場湍流水平預估得到；

SS2.預評估參考翼型的各項氣動性能特征參數：

選擇一組與目標翼形的相對厚度基本相同的現有風力機翼型作為參考翼型系列，計算各參考翼型在所述目標翼型的設計工況條件以及若干非設計變工況條件下的基本氣動力系數，進而評估各參考翼型的各項氣動性能特征參數，所述各項氣動性能特征參數中至少包括表征氣動效率的氣動性能特征參數、表征設計載荷的氣動性能特征參數以及表征變工況條件影響的敏感性參數，

其中，

將目標翼型的基本運行條件作為目標翼型的設計工況條件，以所述基本運行條件的上界和/或下界作為變工況條件；其中，為與各參考翼型的氣動特性以及實驗數據進行有效比較，仍以低湍流自由來流為目標翼型的設計入流湍流條件，但設定目標翼型實際運行的高湍流入流強度作為變工況入流湍流條件，

表征氣動效率的氣動性能特征參數至少包括最大升阻比l/d_max；表征設計載荷的氣動性能特征參數至少包括設計點升力系數c_l,design，

表征氣動效率的氣動性能特征參數和表征設計載荷的氣動性能特征參數包括：設計點升力系數c_l,design、最大升阻比l/d_max、失速點最大升力系數c_l,max、設計點與失速點之間升力系數的平均變化率R_cl、設計點與失速點之間升阻比的平均變化率R_ld，

表征變工況條件影響的敏感性參數包括：最大升力系數隨著表面粗糙的敏感性參數R_sf,cl、最大升阻比隨著表面粗糙的敏感性參數R_sf,ld、最大升力系數隨著雷諾數變化的敏感性參數R_rn,cl、最大升阻比隨著雷諾數變化的敏感性參數R_rn,ld、最大升力系數隨著來流湍流強度變化的敏感性參數R_ti,cl、最大升阻比隨著來流湍流強度變化的敏感性參數R_ti,ld，

表征變工況條件影響的敏感性參數采用線性平均方法以相對變化率R的方式進行定義，各敏感性參數分別定義為：

其中，R_sf,ld為翼型的最大升阻比隨表面粗糙變化的敏感性參數，R_sf,cl為翼型最大升力系數隨著表面粗糙變化的敏感性參數，l/d_max,sf為變表面粗糙度下的最大升阻比，c_l,max,sf為變表面粗糙度下的最大升力系數；R_rn,ld為翼型的最大升阻比隨雷諾數變化的敏感性參數，R_rn,cl為翼型最大升力系數隨著雷諾數變化的敏感性參數，l/d_max,rn為變雷諾數下的最大升阻比，c_l,max,rn為變雷諾數下的最大升力系數；R_ti,ld為翼型的最大升阻比隨入流湍流強度變化的敏感性參數，R_ti,cl為翼型最大升力系數隨著入流湍流強度變化的敏感性參數，l/d_max,TI為變工況入流湍流強度下的最大升阻比，c_l,max,TI為變工況入流湍流強度下的最大升力系數，

翼型的基本氣動力系數采用基于無粘勢流-粘性邊界層方程強耦合迭代方法，綜合考慮設計工況條件和變工況條件計算得到；其中的自由來流湍流效采用基于線性小擾動理論的e^N自然轉捩預測方法模擬，設計條件入流湍流強度設為0.07％，對應的擾動放大因子N＝9；變工況條件的湍流強度設為1％，對應的擾動放大因子N＝2.6；前緣粗糙效應采用設置固定轉捩點的方式模擬，上表面固定轉捩點設定為1％，下表面固定轉捩點設定為10％，

基于設計工況條件以及非設計變工況條件下的翼型氣動力系數，計算得到各參考翼型的各項氣動性能特征參數并進行評估；

SS3.確定目標翼形的氣動優化目標函數：

基于步驟SS2獲得的各項氣動性能特征參數的預評估結果，至少將表征氣動效率的氣動性能特征參數、表征設計載荷的氣動性能特征參數以及表征變工況條件影響的敏感性參數設定為優化目標參數f_i；

基于各項優化目標參數f_i的量級大小，對各項優化目標參數f_i賦予歸一化尺度因子s_i；

根據目標翼型設計需求側重確定各項優化目標參數f_i的權重系數w_i；

根據各項優化目標參數f_i在優化過程中增減的期望，對各項優化目標參數f_i賦予期望系數e_i；

根據各項優化目標參數f_i以及其歸一化尺度因子s_i、權重系數w_i、期望系數e_i，得到目標翼型的氣動優化目標函數f，所述目標翼型的氣動優化目標函數f的表達式如下：

f＝∑e_is_iw_if_i；

其中，

翼型優化目標參數f_i除至少包含表征氣動效率的最大升阻比和表征設計載荷的設計升力系數外，還包含表征變工況條件影響的敏感性參數；

各項優化目標參數f_i中，最大升阻比和設計升力系數的期望系數均為+1，意味著期望這兩個參數在優化過程中盡可能增大；而表征變工況條件的敏感性參數則均為-1，意味著期望優化過程可以降低翼型的最大升阻比、最大升力系數隨運行條件變化的敏感性，使其在翼型前緣粗糙、運行雷諾數變化、入流湍流強度變化時更為穩定，此時翼型多工況優化目標函數表達式為：

f＝∑e_is_iw_if_i

＝s₁w₁c_l,max+s₂w₂l/d_max-s₃w₃R_ti,cl-s₄w₄R_ti,ld-s₅w₅R_sf,cl-s₆w₆R_sf,ld-s₇w₇R_rn,cl-s₈w₈R_rn,ld

其中，e_i為期望系數，s_i為歸一化尺度因子，w_i為權重系數，c_l,max為最大升力系數，l/d_max為最大升阻比；

SS4.設定目標翼型的尋優空間和約束條件：

選擇一與目標翼形的相對厚度基本相同的現有風力機翼型作為初始翼型，以翼型的幾何特征參數作為目標翼型設計變量，根據所述初始翼型的幾何特征及其葉片結構兼容性要求，設定目標翼型設計變量的上下界，所述目標翼型設計變量的上下界即為目標翼型的尋優空間和約束條件，其中，所述葉片結構兼容性要求為初始翼型和與其同一系列的其他厚度翼形的幾何兼容性，至少包括最大厚度位置與尾緣厚度的幾何兼容性；

SS5.迭代優化與評估：

采用全局性最優化方法對所述目標翼型的氣動目標函數f進行迭代優化，得到目標翼型；其中每一步迭代優化過程中均至少包括翼型幾何設計、多工況條件下的翼型氣動性能計算、翼型氣動性能評估過程。