[发明专利]一种考虑高湍流自由来流效应的风力机翼型气动优化方法

摘要

本发明公开了一种考虑高湍流自由来流效应的风力机翼型气动优化方法，根据实际风场中叶片翼型来流的高湍流特性，将入流湍流强度对翼型气动效率、载荷等的影响参数化，建立最大升阻比和最大升力系数的敏感性参数，再以权重系数法结合翼型效率与载荷参数、表面粗糙敏感性以及雷诺数效应等目标参数，形成了翼型多工况气动优化模型，并结合遗传算法构建了翼型气动优化方法。基于数值模拟与评估表明，采用本发明所提出的翼型气动优化方法，在保持高设计升力系数、提高最大升阻比同时，显著降低了翼型气动性能随着自由来流湍流强度变化的敏感性参数；另外翼型的最大升力系数得到了有效限制，失速过程更为平缓。

主权项

1.一种考虑高湍流自由来流效应的翼型气动优化方法，根据复杂风场中风电叶片的高湍流入流特性，在满足翼型基本设计需求的前提下，对翼型气动效率、载荷随来流扰动的敏感性进行优化，其特征在于，所述翼型气动优化方法包括如下步骤：SS1.确定目标翼型基本运行条件：根据目标翼型所适用的风力机叶片的容量、长度以及目标翼型在风力机叶片展向上的适用位置，确定目标翼型的相对厚度以及在风力机叶片适用位置处的运行条件；根据目标翼型在风力机叶片适用位置处的运行条件，确定目标翼型的运行攻角范围、运行雷诺数条件和入流风湍流水平；SS2.预评估参考翼型的各项气动性能特征参数：选择一组与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为参考翼型系列，计算各参考翼型在所述目标翼型的设计工况条件以及若干非设计变工况条件下的基本气动力系数，进而评估各参考翼型的各项气动性能特征参数，所述各项气动性能特征参数中至少包括表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数；SS3.确定目标翼形的气动优化目标函数：基于步骤SS2获得的各项气动性能特征参数的预评估结果，至少将表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数设定为优化目标参数fi；基于各项优化目标参数fi的量级大小，对各项优化目标参数fi赋予归一化尺度因子si；根据目标翼型设计需求侧重确定各项优化目标参数fi的权重系数wi；根据各项优化目标参数fi在优化过程中增减的期望，对各项优化目标参数fi赋予期望系数ei；根据各项优化目标参数fi以及其归一化尺度因子si、权重系数wi、期望系数ei，得到目标翼型的气动优化目标函数f，所述目标翼型的气动优化目标函数f的表达式如下：f＝∑eisiwifi；SS4.设定目标翼型的寻优空间和约束条件：选择一与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为初始翼型，以翼型的几何特征参数作为目标翼型设计变量，根据所述初始翼型的几何特征及其叶片结构兼容性要求，设定目标翼型设计变量的上下界，所述目标翼型设计变量的上下界即为目标翼型的寻优空间和约束条件，其中，所述叶片结构兼容性要求为初始翼型和与其同一系列的其他厚度翼形的几何兼容性，至少包括最大厚度位置与尾缘厚度的几何兼容性；SS5.迭代优化与评估：采用全局性最优化方法对所述目标翼型的气动目标函数f进行迭代优化，得到目标翼型；其中每一步迭代优化过程中均至少包括翼型几何设计、多工况条件下的翼型气动性能计算、翼型气动性能评估等过程。