[發(fā)明專利]一種高氣動性能低噪聲水平風力機外側翼型的優(yōu)化設計方法

有效

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• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109145506B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發(fā)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

本發(fā)明公開了一種高氣動性能低噪聲水平的風力機外側翼型的優(yōu)化設計方法，根據低風速區(qū)大型風電葉片展向外側部位的性能需求，以翼型的最大升阻比、氣動噪聲總聲壓級為優(yōu)化目標參數，并對翼型設計升力系數、最大升力系數、失速特性參數、表面粗糙穩(wěn)定性以及入流湍流穩(wěn)定性進行約束，建立翼型優(yōu)化設計模型；進而將無粘?粘性強耦合迭代氣動預測方法、半經驗噪聲預測模型與最優(yōu)化算法結合，形成了高性能、低噪聲翼型優(yōu)化方法。案例優(yōu)化結果表明，采用本發(fā)明所提的方法在降低翼型氣動噪聲、提高翼型氣動效率的同時，又確保了翼型氣動力載荷特征以及氣動性能在非設計工況條件下穩(wěn)定性的改進，可以最終實現“高性能、低噪聲”翼型優(yōu)化設計。

技術領域

本發(fā)明屬于風力機翼型設計技術領域，涉及一種風力機翼型的優(yōu)化設計方法，具體涉及一種適用于低風速區(qū)的具有高氣動性能、低氣動噪聲的風力機外側翼型優(yōu)化設計方法。

背景技術

風力機翼型的空氣動力學性能優(yōu)劣從根本上影響風電葉片的風能轉換效率和載荷特性。因此，風力機專用翼型設計優(yōu)化是提高風電葉片風能捕獲效率與運行可靠性的基本方法。

我國風電產業(yè)發(fā)展迅速，目前累計裝機容量已經連續(xù)多年位居世界第一位。隨著風資源豐富的華北、東北、西北等內陸地區(qū)大量開發(fā)，近年來，海上地區(qū)與低風速地區(qū)風電開發(fā)已經成為我國風能利用的主要趨勢。為降低發(fā)電成本，提高風資源利用率，海上風場風力機和低風速區(qū)風場風力機都要求有更長的葉片尺寸，以增加葉輪掃風面積。葉片尺寸的顯著增長，除了使得葉片柔性增加，氣動效率與載荷之間的矛盾更加突出外，葉片外側部位尖速比也大幅度增加，使得葉片的氣動噪聲也更為顯著。文獻表明，葉片氣動噪聲源主要位于葉片外側部位，噪聲聲壓級隨葉片尺度成對數增長規(guī)律。風能是一種環(huán)境友好型能量利用方式，氣動噪聲幾乎是唯一的負面影響因素。尤其是對于我國廣袤的華南、華東、華中地區(qū)等低風速區(qū)域而言，人口分布密集，風電場非?？拷c人們的居住區(qū)，風力機氣動噪聲將會對人們的日常生活與生產造成重大影響。因此、風電葉片降噪技術以及低噪聲葉片設計技術是目前葉片設計研究的熱點問題。

低噪聲翼型設計優(yōu)化技術是降低葉片氣動噪聲的基礎有效手段之一。目前已有大量學者展開低噪聲風力機翼型(尤其是葉片外側薄翼型)設計與控制方法的研究。研究表明，低噪聲翼型設計優(yōu)化的難點在于表征翼型氣動效率的最大升阻比和翼型的氣動噪聲總聲壓級一般呈正相關關系。也就是說，簡單地降低翼型氣動噪聲總聲壓級往往使得翼型最大升阻比也隨之降低；而單純提高翼型最大升阻比也往往會使得總聲壓級增加。其內在機理在于，影響翼型最大升阻比最顯著的參數是翼型相對彎度。較高的翼型彎度會帶來更大的升阻比，但尾緣處流動分離也更為嚴重，分離流壓力波動更為劇烈，導致氣動噪聲也更大。因此，有不少學者為提升翼型氣動效率不得不允許翼型氣動噪聲略微增加。翼型聲壓級與升阻比的弱正相關性決定了采用傳統的反設計方法無法有效實現其矛盾需求，必須借助于多目標優(yōu)化設計方法，在翼型設計空間內充分探索，尤其是精細調節(jié)對翼型噪聲聲壓級有非線性影響的幾何特征參數(如尾緣厚度、前緣半徑等)獲得理想結果。目前已有學者采用數值優(yōu)化方法以最大升阻比和噪聲聲壓級為雙目標實現了翼型氣動效率的提升以及氣動噪聲的降低，但是以犧牲其他重要性能為條件，如失速特性、前緣粗糙敏感性等等。另有學者提出了考慮翼型多學科性能特征參數的綜合優(yōu)化設計方法實現了外側翼型氣動-結構-噪聲等整體性能的提升。但是由于該優(yōu)化過程是一個多參數平衡的過程，其優(yōu)化模型無法保證最終結果的氣動聲壓級的降低；設計得到的翼型最大升阻比和聲壓級往往同時提高。因此需要更有效的優(yōu)化設計方法獲得高氣動性能的低噪聲翼型。

發(fā)明內容

鑒于以上問題，本發(fā)明根據低風速區(qū)風場中風力機葉片獨特性能需求，建立外側翼型優(yōu)化設計模型，旨在采用雙目標優(yōu)化方法實現翼型低噪聲與高氣動效率的同時，對翼型的設計升力系數、最大升力系數、失速特性參數、表面粗糙穩(wěn)定性及入流湍流穩(wěn)定性進行約束保證翼型的其他重要氣動特征，形成具備高氣動性能和低氣動噪聲水平的風力機外側翼型優(yōu)化設計方法。

本發(fā)明為實現其技術目的是通過以下技術方案實現的：