[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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本發明公開了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，根據實際風場中葉片翼型來流的高湍流特性，將入流湍流強度對翼型氣動效率、載荷等的影響參數化，建立最大升阻比和最大升力系數的敏感性參數，再以權重系數法結合翼型效率與載荷參數、表面粗糙敏感性以及雷諾數效應等目標參數，形成了翼型多工況氣動優化模型，并結合遺傳算法構建了翼型氣動優化方法。基于數值模擬與評估表明，采用本發明所提出的翼型氣動優化方法，在保持高設計升力系數、提高最大升阻比同時，顯著降低了翼型氣動性能隨著自由來流湍流強度變化的敏感性參數；另外翼型的最大升力系數得到了有效限制，失速過程更為平緩。

技術領域

本發明屬于風力機翼型設計領域，涉及一種風力機翼型的氣動優化方法，具體涉及適用于高湍流自由來流風場中具有氣動性能低敏感性的風力機翼型優化設計方法。

背景技術

翼型是風電葉片的展向設計元素。翼型空氣動力學性能的優劣從根本上決定了風電葉片的風能轉換效率和載荷特性。因此，從二維翼型的角度研究各種入流條件下邊界層發展規律，研發出氣動性能優異的風力機翼型，是實現風電葉片在復雜風場環境下高效、穩定、安全運行的基本手段。

自20世紀80年代以來，研發人員設計出多種通用型風力機翼型系列并逐步取代了航空翼型在水平軸風力機上的應用。這些風力機翼型是基于運行在大氣邊界層底層的風電葉片和運動在高層穩定大氣層中的機翼的流動差異專門設計得到；另一方面，隨著風電產業的發展，翼型氣動目標也隨著風電葉片的功率控制類型、人們對于葉片流動機理的認識水平、設計技術的進步而不斷豐富和深化。例如，為保證實際風場中復雜風況條件下的發電量，對于風力機翼型的氣動優化目前至少達到了以下共識：1)在設計條件下具有高氣動效率，2)非設計攻角下氣動力波動小，3)最大升力系數隨前緣粗糙具有低敏感性等。

風場實測表明，具有低前緣粗糙敏感性的風力機專用翼型有效提高了風場的發電量(30％以上)。但風場實測的風力機運行功率曲線仍與設計條件下的靜態功率曲線存在較大差距。其原因在于復雜風場條件下的風電葉片多尺度流動因素相互耦合，使得葉片無法穩定運行在“設計條件”下；例如運行攻角、運行雷諾數、表面粗糙狀況、入流湍流強度等均與設計條件存在較大差異。從翼型的角度分析，表面粗糙導致的強制轉捩可使翼型最大升阻比下降50％左右，因此低前緣粗糙敏感性一直是風力機翼型的關鍵優化目標；近年來有學者進一步將雷諾數效應導致的翼型氣動力變化作為優化目標，以提高葉片氣動載荷穩定性。但是對于翼型流動邊界層轉捩和分離具有重要影響的自由來流湍流擾動，至今尚沒有將其考慮到翼型設計之中。

目前風力機翼型氣動設計通?；诰鶆蜃杂蓙砹骷僭O(設定為極低自由來流湍流水平，一般為0.1％以下，對應為自然轉捩模式)；而用于葉片設計的翼型數據也是低湍流風洞中測量結果，所對應的入流湍流強度一般在0.5％以下，純凈的低速風洞甚至可以低至0.07％。而實際風場中自由來流湍流強度則高達10％以上；即便對處于額定風速以上運行的多兆瓦級葉片外側翼型來說，其入流湍流強度也可達到1％～2％的水平，遠高于設計時的入流湍流強度。風洞試驗和數值模擬均表明，高湍流自由來流對翼型邊界層的轉捩模式(自然轉捩或旁路轉捩)、發展方式以及分離點的位置存在顯著影響，進而對翼型的氣動力系數則存在負面效應。例如，評估表明，對于通用型葉片外側翼型而言，當自由來流湍流強度自0.1％增加至1％左右時，翼型的最大升阻比可下降25％，最大升力系數可下降5％。更為重要的是，自由來流湍流具有時空的非定常性和不確定性，以極低自由來流湍流擾動為設計條件的翼型在高擾動條件下的實際風場中不僅會導致葉片的氣動效率偏低，疲勞載荷增加，更會使得葉片極限載荷具有不可預測性。為提高葉片在實際風場條件下的風能捕獲效率，降低運行安全風險，必須將高湍流自由來流對翼型氣動性能的影響考慮到風力機翼型的優化設計之中，發展風力機翼型氣動優化模型和優化設計方法。

發明內容