[發明專利]一種風力機葉片內側厚翼型的氣動穩健優化設計方法

有效

• 申請號: 201811097769.4
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109460566B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 李星星;宋娟娟;張磊;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: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;F03D1/06;G06F111/06
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本發明公開了一種風力機葉片內側厚翼型的氣動穩健優化設計方法，根據風力機葉片實際運行過程中來流雷諾數的不確定性，以翼型的最大升力系數、失速特征參數在隨機性雷諾數條件下的概率統計量作為翼型受雷諾數不確定性影響的表征參數，采用權重系數法，進一步結合大攻角內翼型的氣動升力特征為目標形成了厚翼型的穩健優化目標函數；以翼型幾何結構特性為基本約束條件，結合遺傳算法形成了厚翼型穩健優化設計方法。通過對具體案例優化結果的數值預測與評估表明，采用本發明提出的大厚度翼型穩健優化設計方法可使新翼型在大攻角范圍內獲得高氣動升力水平的同時，還進一步提高翼型氣動力特征隨雷諾數變化的穩健性，實現了設計要求。

技術領域

本發明屬于水平軸風力機翼型設計技術領域，涉及一種風力機葉片內側厚翼型的設計方法，具體涉及一種不確定性入流雷諾數下風力機葉片內側厚翼型的氣動穩健性優化設計方法。

背景技術

在當前風力機葉片設計體系下，三維葉片的氣動設計仍然以二維翼型的性能為基礎。翼型空氣動力學性能的優劣從根本上決定了風力機葉片的風能轉換效率和載荷特性。因此，開發出性能優良的風力機專用翼型是提高風力機葉片風能捕獲效率與運行可靠性的基本方法。

基于風力機葉片內在結構與氣動矛盾，隨著葉片的不斷大型化發展，葉片展向內側部分的設計須采用更厚的翼型以保證結構可靠性。而翼型相對厚度簡單的線性增加往往以氣動性能的降低為代價。因此開發出性能優良的厚翼型一直是風力機翼型優化設計的重要挑戰。自20世紀80年代以來，風力機專用翼型研發的歷史從一定程度上可以看作是不斷追求氣動性能優良的厚翼型的歷程。厚翼型設計的難點在于翼型尾緣附近邊界層流動的逆壓梯度遠較薄翼型的大，導致厚翼型在很小的攻角下即出現流動分離，給翼型氣動性能的準確預測帶來較大困難。尤其是對于葉片內側翼型而言，由于葉片扭角的限制，使得該部位翼型的實際運行攻角大，多處于深失速區域。近年來，學者們先后改進了翼型設計中常用的粘性-無粘耦合迭代方法中邊界層方程封閉關系以及湍流模型，提高了厚翼型大攻角內的預測精度。基于此，先后有學者提出了以大攻角范圍內高氣動升力為目標的大厚度翼型設計方法。

但目前厚翼型的設計仍然基于確定性的設計條件(如雷諾數等)研發得到。而在實際風場中，由于風的湍流特性以及風剪切等因素的影響，葉片各截面翼型的雷諾數實際上是具有不確定性的。雷諾數是翼型的流動動力相似準則，對翼型邊界層的流動狀態和氣動力特性具有重要影響，尤其是對翼型失速附近的氣動特征。風洞測量和數值模擬結果均表明，對于航空翼型以及較薄的風力機專用翼型而言，雷諾數的增加對翼型性能的影響具有一致的規律，表現為最小阻力系數隨著雷諾數的增加而單調降低，線性區升力系數的斜率增加，最大升力系數隨著雷諾數的增加單調增加，失速攻角也相應增加。而對于厚翼型而言，研究人員發現雷諾數的增加對其最大升力系數、升阻比的影響并無一致規律，具有非線性。因此，以確定性雷諾數為設計條件得到的厚翼型，其氣動性能在具有隨機性的入流雷諾數條件下難以準確預測，給風力機的安全運行、功率與載荷控制帶來了挑戰。為提高葉片功率預測與控制水平，降低運行安全風險，須將入流雷諾數的不確定性對厚翼型氣動性能的影響考慮到設計之中，提高其大攻角內的氣動力水平和穩健性。目前的設計方法之中，有學者采用兩種典型雷諾數工況下的翼型氣動性能的線性變化率表征雷諾數對翼型性能影響的穩定性。該方法對于薄翼型而言較為合理。但是對于厚翼型而言，雷諾數效應是非線性的，上述方式不能準確表征雷諾數不確定性的影響，須采用真正的隨機性方法獲得翼型氣動力特征的統計特性進行表征。

發明內容

鑒于以上問題，本發明根據實際風場中入流雷諾數的不確定性，以雷諾數為隨機性設計條件，采用描述性蒙卡模擬隨機采樣方法描述入流雷諾數的不確定性對翼型氣動力特征的影響，構建穩健優化設計模型，以翼型氣動性能參數的統計量作為優化目標之一，對翼型大攻角范圍內氣動力特征的統計特性進行優化，形成風力機內側厚翼型的穩健優化設計方法。

本發明為實現其技術目的是通過以下技術方案實現的：

一種風力機內側厚翼型的氣動穩健優化設計方法，其特征在于，所述優化設計方法包括如下步驟：