[发明专利]一种风力机叶片内侧厚翼型的气动稳健优化设计方法

摘要

本发明公开了一种风力机叶片内侧厚翼型的气动稳健优化设计方法，根据风力机叶片实际运行过程中来流雷诺数的不确定性，以翼型的最大升力系数、失速特征参数在随机性雷诺数条件下的概率统计量作为翼型受雷诺数不确定性影响的表征参数，采用权重系数法，进一步结合大攻角内翼型的气动升力特征为目标形成了厚翼型的稳健优化目标函数；以翼型几何结构特性为基本约束条件，结合遗传算法形成了厚翼型稳健优化设计方法。通过对具体案例优化结果的数值预测与评估表明，采用本发明提出的大厚度翼型稳健优化设计方法可使新翼型在大攻角范围内获得高气动升力水平的同时，还进一步提高翼型气动力特征随雷诺数变化的稳健性，实现了设计要求。

主权项

1.一种风力机内侧厚翼型的气动稳健优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括如下步骤：SS1.根据目标内侧厚翼型在风力机叶片展向适用位置处的运行条件及其气动性能需求，设定目标内侧厚翼型的稳健优化目标函数F，其中，目标内侧厚翼型在风力机叶片展向适用位置处的运行条件，包括目标内侧厚翼型在切入切出风速之间的运行攻角范围、运行雷诺数范围；所述稳健优化目标函数F，至少将大攻角内基本升力特征参数以及升力特征随雷诺数变化的统计特征参数作为优化目标参数，其中，所述大攻角内基本升力特征参数，至少包括表征翼形大攻角下整体升力系数水平的目标升力系数Cl,obj以及大攻角下升力系数的平均变化率Scl；所述升力特征随雷诺数变化的统计特征参数，至少包括最大升力系数cl,max和失速特征参数Mstallx随雷诺数变化的均值μ(Cl,max)、μ(Mstallx)及标准方差σ(Cl,max)、σ(Mstallx)，所述失速特征参数Mstallx为失速后8°攻角范围内翼型升力系数变化量与升力系数随着攻角平均变化率乘积的最大值，其表达式为：式中，α、αstall分别为气流攻角、失速攻角，Cl为气流攻角α下的升力系数，cl,max为最大升力系数；根据目标内侧厚翼型的设计需求侧重分别分配各项优化目标参数的权重系数w，根据量级大小分别确定各项优化目标参数的归一化尺度因子s，根据在优化过程中增减的期望分别确定各项优化目标参数的期望系数e，所述稳健优化目标函数F的表达式为F＝∑eiwisifi，其中，fi为各项优化目标参数，ei为各项优化目标参数的期望系数，wi为各项优化目标参数的权重系数，si为各项优化目标参数的归一化尺度因子；SS2.设定目标内侧厚翼型的几何设计变量及几何设计空间：根据目标内侧厚翼型的设定最大相对厚度，选择一与所述设定最大相对厚度基本相同的翼形作为初始翼型；以翼型的几何特征参数作为目标内侧厚翼型的几何设计变量，所述几何设计变量至少包括翼形的最大相对厚度位置Xt、最大相对弯度Cam、最大相对弯度位置Xcam、前缘半径Rle、尾缘厚度Ttr，根据初始翼型的几何特征与结构兼容性要求，设定各所述几何设计变量的上下界并将其作为目标内侧厚翼型的几何设计空间；SS3.设定随机性设计条件：将入流雷诺数作为随机性设计条件，根据目标内侧厚翼型所处叶片展向位置处的运行雷诺数范围，确定作为随机性因子的入流雷诺数的基准值及其上下变化不确定性区间；对入流雷诺数在所述不确定性区间内进行随机性抽样，将其作为目标内侧厚翼型设计过程中的气动性能计算条件；SS4.给定设计约束条件，构建稳健优化模型：为保证结构强度与刚度需求，至少选择翼型的相对厚度T、截面积Area、二阶截面惯性矩skinI作为目标内侧厚翼型稳健优化的设计约束条件；SS5.采用遗传算法对稳健优化目标函数F进行迭代优化，直至取得最优解，获得目标内侧厚翼型，其中每一步优化迭代过程中均包含翼型设计、结构分析、对雷诺数描述性随机采样以及样本条件下的气动性能计算、厚翼型气动力特征评估等过程。