[發明專利]一種高氣動性能低噪聲水平風力機外側翼型的優化設計方法

有效

• 申請號: 201811097766.0
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109145506B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 李星星;張磊;宋娟娟;楊科
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種高氣動性能低噪聲水平風力機外側翼型的優化設計方法，根據風力機葉片的氣動性能需求和噪聲水平要求，以外側翼型的最大升阻比和氣動噪聲總聲壓級作為優化目標，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

SS1.確定目標外側翼型的最大相對厚度及其設計工況條件，所述設計工況條件至少包括切入切出風速之間的運行攻角范圍、運行雷諾數條件；

根據目標外側翼型的最大相對厚度，選擇一最大相對厚度與目標外側翼型基本相同的翼型作為初始翼型；

SS2.確定目標外側翼型的優化目標函數F：

所述優化目標函數F至少包括表征翼型氣動效率的最大升阻比l/d_max和表征翼型自噪聲水平的翼型氣動噪聲總聲壓級S_pl,total兩項優化目標參數，

所述翼型氣動噪聲總聲壓級S_pl,total由設計工況下10Hz～20000Hz頻率范圍內離散頻率處的聲壓級進行對數疊加得到，至少包括翼型湍流邊界層尾緣噪聲的聲壓級、分離流噪聲的聲壓級、層流邊界層渦脫落噪聲的聲壓級、鈍尾緣噪聲的聲壓級、湍流入流噪聲的聲壓級，

根據目標外側翼型的設計需求側重分別確定各項優化目標參數的權重系數，根據量級大小分別確定各項優化目標參數的歸一化尺度因子，根據在優化過程中增減的期望分別確定各項優化目標參數的期望系數，

所述優化目標函數F的表達式為F＝∑e_iw_is_if_i，

其中，f_i為各項優化目標參數，e_i為各項優化目標參數的期望系數，w_i為各項優化目標參數的權重系數，s_i為各項優化目標參數的歸一化尺度因子；

并且其中，所述優化目標函數F為最大型目標函數F_MAX，優化目標參數中期望翼形的最大升阻比l/d_max在優化過程中增加，設定其期望系數為﹢1，期望翼型氣動噪聲總聲壓級S_pl,total在優化過程中降低，設定其期望系數為﹣1，最大型目標函數F_MAX為F_MAX＝w₁s₁l/d_max-w₂s₂S_pl,total，其中，w₁、w₂分別為最大升阻比l/d_max、翼型氣動噪聲總聲壓級S_pl,total的權重系數，且w₁+w₂＝100、w₁w₂；s₁、s₂分別為最大升阻比l/d_max、翼型氣動噪聲總聲壓級S_pl,total的歸一化為尺度因子，s₁、s₂分別根據最大升阻比l/d_max、翼型氣動噪聲總聲壓級S_pl,total的量級大小確定；

SS3.確定目標外側翼型的約束參數體系，所述約束參數體系至少包括表征翼型設計工況下的氣動載荷特性參數以及表征翼型氣動力特征隨非設計工況變化的穩定性參數；所述表征翼型氣動力特征隨非設計工況變化的穩定性參數至少包括：表征失速后翼型氣動力特征隨攻角波動的失速特征參數M_stallx、表征翼型氣動載荷與效率隨葉片表面粗糙狀況變化穩定性的最大升力系數c_l,max與最大升阻比l/d_max的表面粗糙敏感性參數S_cl,S_ld，表征翼型氣動載荷與效率隨自由來流湍流度變化穩定性的最大升力系數c_l,max與最大升阻比l/d_max的自由來流湍流敏感性參數T_cl,T_ld，其中，

所述失速特征參數M_stallx采用失速后某一攻角處的升力系數相對于失速攻角處最大升力系數的變化量與升力系數的平均變化率的乘積定義；表面粗糙穩定性參數S_cl,S_ld，自由來流湍流穩定性參數T_cl,T_ld均采用設計條件下特征參數與非設計條件下相應參數的相對變化率的形式定義，四種參數的表達式分別為：

其中c_l,max,ft,l/d_max,ft為粗糙表面對應的固定轉捩條件下的最大升力系數和最大升阻比，c_l,max,TI,l/d_max,TI為某一高湍流度自由來流下的最大升力系數和最大升阻比；

SS4.以翼型的幾何特征參數作為目標外側翼型的設計變量，至少根據初始翼型的幾何特征與結構兼容性要求，確定目標外側翼型的幾何設計空間；

SS5.采用多目標最優化算法對優化目標函數F進行迭代優化，在每一步迭代優化過程中均需對翼型的氣動性能與氣動噪聲特性進行計算，通過分析翼型的氣動性能和氣動噪聲特性，判斷優化目標函數F是否達到最優解，最終得到目標外側翼型。