[发明专利]一种垂直轴风力机翼型的气动优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于风力机工程技术领域，特别是涉及一种垂直轴风力机翼型的气动优化设计方法。

背景技术

翼型是影响风力机气动性能的重要因素之一，翼型的气动设计是其它设计的基础，它对整个风力发电机组的运行特性和使用寿命具有重要意义。早期垂直轴风力机设计使用的翼型大多为发展比较成熟、升阻特性较好的传统NACA低速航空翼型，特别是对称翼型。随着风力机理论的发展和实践经验的积累，人们逐渐认识到垂直轴风力机叶片的气动运行特性与航空机翼有很大差别，传统的航空翼型并不能很好地满足垂直轴风力机叶片的设计和使用要求，需要设计出适合垂直轴风力机叶片的翼型。风力机通常有水平轴风力机和垂直轴风力机两种类型，但两者的运行状态有较大的差异，前者在任一半径截面处的入流角和攻角几乎不变，而后者在运行过程中入流角和攻角不断变化且变化范围较大。虽然水平轴风力机的气动设计理论已相当成熟，但并不适用于垂直轴风力机的气动设计，使得垂直轴风力机的气动设计技术发展缓慢。同时，两者运行状态的差异也使得垂直轴风力机无法像水平轴风力机一样通过入流角、攻角、升力系数、阻力系数等物理量来解析求解风轮的风能利用系数值，更难以通过解析的方法来对垂直轴风力机翼型进行气动优化设计，因此，亟需开发出适用于垂直轴风力机翼型气动优化设计的方法。目前关于垂直轴风力机翼型气动优化设计方法的研究较少，仅有的一些研究也只是对翼型局部的改良或修型，对由多个翼型几何参数控制下的完整翼型全局智能优化设计未见有公开的报道。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种垂直轴风力机翼型气动优化设计方法，本发明能够解决传统优化算法存在的计算量大且难于寻求到全局最优解的问题，同时以整个风轮的风能利用率最大为优化目标，解决了难于对不断变化且变化幅度较大的叶片瞬时攻角进行优化的问题。

根据本发明提出的一种垂直轴风力机翼型的气动优化设计方法，其特征在于包括确定翼型气动优化设计内容和通过Isight平台集成及控制试验设计模块、近似模型模块和优化设计模块，从而实现整个优化设计过程的自动化运行，其中，所述试验设计模块为近似模型模块提供样本数据和响应值的集合，同时以试验设计模块和近似模型模块两者的协同作用来降低优化设计模块的计算量，具体实施步骤如下：

步骤1，确定翼型气动优化设计内容：以任意形状的翼型为基准翼型，以控制翼型几何形状变动的参数为设计变量，以翼型几何参数的变化范围为约束条件，以整个风轮的风能利用系数最大为目标函数；

步骤2，构建试验设计模块：选择对应的试验设计方法进行试验设计，自动生成若干组满足设计变量约束条件的试验样本后，再通过流体力学的精确计算和对计算结果的数据处理得到响应值的集合；该试验设计模块包括翼型参数化模块、网格划分模块、气动计算模块和数据处理模块；该试验设计模块通过选择对应的翼型参数化方法编写翼型参数化程序，实现翼型几何形状的变动和新翼型的输出，然后对新翼型设计下的垂直轴风力机进行网格划分和气动计算，最后对得到的气动参数进行数据处理；

步骤3，构建近似模型模块：选择对应的近似方法对试验设计模块得到的样本数据和响应值的集合构建近似模型，得到输入变量与输出响应之间的映射关系；然后选取若干个随机样本对近似模型进行评估，若近似模型的近似效果较好，则用该近似模型代替高精度分析模型；若近似模型的近似效果较差，则通过在试验设计中加入更多的样本点或修改近似模型的参数来重新构建近似模型，直至近似效果达到精度要求；

步骤4，构建优化设计模块：选择对应的优化算法对得到的近似模型进行优化，若结果能够满足设计要求，则得到优化翼型；若结果不能够满足设计要求，则从步骤2开始重新修改方法和参数，并重复上述过程，直至达到设计要求。

本发明提出的一种垂直轴风力机翼型的气动优化设计方法的进一步优选方案是：

步骤2所述的试验设计模块的试验设计方法，可选择完全析因设计法、中心复合设计法、Box-Behnken设计法、D-最优设计法、Plackett-Burman设计法、正交数组法、均匀设计法、拉丁超立方抽样法或Hammersley序列抽样法。

步骤2所述的翼型参数化模块的翼型参数化建模设计，可选择多项式拟合法或解析函数线性叠加法，其中：多项式拟合法可以为PARSEC方法、Sobieczky方法或改进的Sobieczky方法，解析函数可以为多项式型函数、Wagner型函数或Hicks-Henne型函数。