转捩对风力机翼型优化设计结果的影响研究

采用基于Kriging模型的优化设计方法开展了风力机专用翼型的优化设计工作.除了在全湍流条件下进行设计之外,同时还在气动优化设计中耦合层流湍流转捩预测,将翼型上下表面的转捩点作为约束条件,采用基于Kriging模型的优化设计方法实现了考虑转捩影响的风力机翼型优化设计.风力机翼型最大升阻比优化结果表明:在两种条件下,优化得到的翼型气动性能均得到较大提高,均具有较好的粗糙度不敏感性,但相比而言,考虑转捩影响的风力机翼型优化设计能在更加真实的环境下获得气动性能更好的优化设计结果.     

翼型集成理论与B样条结合的风力机翼型优化设计方法研究

针对风力机翼型泛函集成理论在中等厚度翼型(最大相对厚度约25%)优化设计过程中其控制参数难以界定的缺点,首次提出翼型集成理论与B样条曲线相结合的风力机翼型型线优化设计方法。建立翼型优化数学模型,采用改进的多目标粒子群算法与RFOIL软件耦合求解气动参数进行翼型优化设计。优化得到最大相对厚度为25%的新翼型CQU-250,该翼型具有良好的结构兼容性;并将该翼型与同等厚度的风力机翼型DU91-W2-250进行气动特性对比分析,分析结果表明新翼型在主要工作攻角范围内,光滑和粗糙两种条件下的升力系数均更高,升阻比更大,具有更高的设计与非设计工况。相比传统翼型,其气动性能明显提高,从而验证了该方法的可行性。     

前缘分布式粗糙带对风力机翼型气动性能的影响

基于翼型粗糙容忍度，采用三维建模方法模拟分布式粗糙元，代替传统粗糙带，并利用3D打印技术打印粗糙前缘模型。通过风洞测试，得到前缘粗糙的18%厚度风力机翼型气动性能数据。测试结果表明，随着雷诺数的增加，翼型的升力系数增加。前缘粗糙会导致翼型的最大升力系数减小，阻力系数上升，最大升阻比减小，失速攻角提前。同时，相同粗糙水平下，相较于前缘凸起，前缘凹坑粗糙方式对风力机翼型气动性能影响较小。     

水平轴风力机翼型大攻角气动性能计算研究

耦合RANS和基于线性稳定性分析的eN转捩预测方法,进行风力机翼型的大攻角气动性能计算,以期提供风力机叶片分析/设计中使用翼型的更为准确和完备的气动性能数据。以风力机翼型S809为例,计算了翼型表面从出现分离气泡到大面积分离的情形,并比较了S-A和B-L两种湍流模型对计算结果的影响。通过对已有经典风力机翼型DU97-W-300和新设计风力机翼型WA21ak5在-180°～180°攻角范围内的气动计算,对计算结果和实验结果以及国外风力机叶片分析/设计中使用的基于Viterna方法由有限攻角范围的气动性能外推到-180°～180°的结果进行比较。结果表明,RANS方程计算气动性能和实验结果吻合较好,为建立风力机翼型气动性能数据库提供了基础。     

基于多目标遗传算法的垂直轴风力机专用翼型优化设计

为提升垂直轴风力机翼型综合气动性能,建立针对多运行工况的翼型优化设计方法。采用CST参数化方法表征翼型几何外形,通过优化的拉丁超立方抽样方法进行空间采样,利用CFD方法计算翼型气动力,并建立径向基函数神经网络代理模型,以翼型小攻角下升力和失速攻角下升阻比最优为设计目标,采用多目标遗传算法在代理模型上进行寻优,获得适用于垂直轴风力机的专用翼型以提高其在不同尖速比下的旋转力矩。对风力机常用翼型NACA0018进行优化,结果表明：以翼型失速攻角和最大升阻比攻角为优化目标,不仅提高了单翼型的升力系数与升阻比,而且将优化翼型应用于垂直轴风力机时还可提升使整机力矩系数。     

不确定湍流对低雷诺数风力机翼型气动特性影响研究

为分析并量化不确定湍流对低雷诺数风力机翼型气动性能的影响,以风力机翼型S809为研究对象,基于非嵌入式概率配置点法和修正转捩Transition SST模型,分析湍流强度对低雷诺数翼型升阻气动特性、层流分离和失速分离的影响规律,并量化随机湍流不确定性对翼型气动性能的影响。结果表明,湍流强度由0.2%增大至25%,翼型最大升阻比降低51.8%,湍流作用下层流分离泡消失,失速分离延迟;湍流强度标准差由10%增加至35%,翼型升阻比标准差最大增幅为14.43%。     

基于泛函的风力机翼型形状优化设计研究

针对风力机翼型的形状曲线,基于广义泛函和保角变换理论,提出了具有集成和通用特性的翼型型线函数表征式。从该表征式出发,建立了翼型的优化设计模型。比起传统的反设计方法,提出了一种更为直接、高效的全新翼型优化设计方法,为风力机新型翼型的开发提供了新的思路。选取相对厚度为18%的翼型进行了优化计算分析,得出了优化翼型的形状及其气动特性,通过和风力机常用翼型Ris(?)系列以及NACA系列的性能比较,很好地验证了该优化方法的可行性和优化结果的优越性。     

USST高性能水平轴风力机翼型族

结合层流翼型与钝尾缘的特性,通过Hicks-Henne型函数对翼型参数化修型,基于多岛遗传算法及Xfoil气动分析,针对大型水平轴风力机翼型进行多目标函数、多设计工况、多约束条件下的优化设计,得到适用于大型风力机的高性能翼型族（USST翼型族）。其升阻比在大多数攻角下均高于同厚度的FFA、DU系列等现有风力机翼型族,且在同样的升力系数下具有更大的升阻比。最后为考核优化设计得到的翼型族,采用数值模拟方法对优化结果进行验证,证明设计得到的新型风力机翼型族具有优越的气动性能。     

翼型气动性能与噪声的综合优化设计方法

将风力机翼型气动性能与气动噪声同时作为翼型优化目标,建立了低速翼型的多目标优化设计方法,包括利用Bezier曲线对翼型几何结构进行参数化建模,使用位势流动与边界层迭代（IBL）的流动分析方法计算翼型流场,采用Brooks-Pope-Marcolini翼型自噪声半经验模型预测气动噪声,利用Powell优化方法求得优化翼型.以naca0012翼型为例,对多种目标权重分配方案的优化目标进行设计和计算.结果表明：与原始翼型相比,在设计工况下,优化翼型的升阻比提高,噪声降低,可以获得更好的气动性能和声学性能.     

基于iSIGHT的风力机翼型优化设计平台

以实际风力机翼型族的优化设计为研究对象,通过在iSIGHT软件上集成计算流体力学(CFD)软件Fluent、数值求解软件Matlab以及自编变形网格生成软件,建立了针对风力机专用翼型的优化设计平台;该平台使用反设计优化方法,可以通过改变初始翼型的几何形状,进行流体力学分析,求解气动性能敏感导数的迭代过程,得到符合特定性能要求的翼型;通过RAE2822和S825翼型性能为目标的优化过程验证了该平台的有效性和准确性。该平台可用于实际风力机翼型族的优化设计。     

风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析

介绍了风力机翼型的设计要求和主要方法,提出了预测翼型气动性能的合理途径,探讨了二维翼型气动数据的三维旋转修正问题。     

平底后缘风力机翼型的优化设计

应用基于代理模型的优化方法对35%相对厚度、后缘安装隔板的平底后缘风力机翼型进行优化设计。基于雷诺平均Navier-Stokes方程,采用耦合γ-_(eθ)转捩模型的SST k-ω湍流模型,对平底后缘翼型绕流进行数值模拟得到翼型的气动性能。以翼型在大迎角下的升力系数和截面惯性矩为目标,阻力系数和力矩系数等为约束,对平底后缘翼型进行优化设计;结果表明,优化后翼型在满足约束条件的同时,迎角17°时,升力系数提高8.53%,最大升力系数较基准翼型提高3.13%,截面惯性矩较基准翼型提高7.84%。     

基于多目标遗传算法的风力机翼型形状优化

在风力机翼型型线形状优化设计中,提出了一种新的基于Joukowski保角变换的通用翼型型线表征形式.建立了翼型多目标形状优化设计的数学模型,应用改进的多目标遗传优化算法,设计得到了4种性能优越的风力机专用翼型.详细分析了WT180翼型的空气动力学特性,该翼型在设计工况和非设计工况下都具有良好的气动性能,具有较低的前缘粗糙度敏感性.与目前风力机常用翼型相比,新翼型在主要工作攻角范围内,光滑和粗糙条件下的升力系数更高,升阻比更大,其气动性能相比传统翼型表现出明显的提高.     

风力机翼型的气动性能分析

风力机翼型气动性能分析是风力机气动设计和运行优化的重要基础。采用NUMECA软件对弯度为4%的风力机NACA4412翼型进行气动数值模拟,并与实验数据进行比较,取得比较一致的结果。在此基础上,对NACA2412、NACA4412、NACA6412不同弯度的翼型进行模拟分析,对三种翼型在不同攻角下的气动性能进行了比较,为风力机翼型弯度选择和翼型改型设计提供参考意见。     

风力机叶片翼型优化设计

为设计出气动性能优异的风力机翼型,运用CST参数化方法表述翼型外形特征以控制翼型型线,利用自适应遗传算法耦合XFOIL软件的翼型优化方法,以翼型NACA 63-215为优化算例,在设计工况下寻优,得到一种升力系数、阻力系数、升阻比、力矩等气动特性均较NACA 63-215更优的翼型,证明了该优化方法的可行性,为风力机翼型优化设计提供了参考。     

基于混合参数化与粒子群算法的风力机翼型气动优化设计

针对风力机翼型在进行高精度设计时变量维度高的问题,提出改进的集成泛函理论与型函数扰动相结合的混合参数化方法。通过串行设计,在不提高设计维度的前提下,实现翼型的全局优化与局部再优化。基于该方法并应用自适应设计空间的粒子群算法,获得最大相对厚度为15%的混合优化翼型。与风力机专用翼型Ris?-A1-15以及集成优化翼型进行气动特性比较分析,新翼型在工作攻角范围内的升力系数平均提升了38.62%与6.48%,最大升阻比提升了6.02%与1.75%,气动特性明显改善。从而验证了该方法的有效性,为翼型的精细化设计提供了新思路。     

基于模糊逻辑方法的风力机动态失速研究

基于模糊逻辑数学方法建立了风力机动态失速模型,用于计算风力机翼型的非定常气动载荷。以风力机翼型S809为算例进行了非定常气动载荷的计算。计算结果表明:基于模糊逻辑的动态失速模型得到的预测结果与试验数据吻合良好,且比Leishman-Beddoes模型具有更高的预估精度,能够捕捉风力机翼型动态失速的细节特征,从而证明了该方法的正确性和有效性。     

后缘加厚方式对典型风力机翼型气动性能的影响

采用无粘和粘性结合的分析计算方法,利用低雷诺数翼型分析和设计软件XFOIL,比较了典型风力机翼型S826及其改型翼型以及由3种不同的后缘加厚方式所得翼型在气动性能上的异同,认为合理的后缘加厚方式在考虑结构强度和制造工艺的同时,可以保证翼型的气动性能不会降低太多,为进一步研究影响风力机翼型气动性能的因素做了有益的探索.     

垂直轴风力机改进翼型气动及功率特性研究

为提高垂直轴风力机的风能利用率,基于CFD数值模拟技术,分析了常用典型垂直轴风力机翼型的气动及功率特性,并以NACA0012翼型为基础对其进行改进。对比改进前后翼型表明,增大翼型厚度可降低升阻比,增大翼型弯度可增强其失速特性;厚尾缘翼型、升阻互补型翼型可分别降低翼型失速性能、增加启动力矩,其中厚尾缘翼型的H型垂直轴风力机的功率系数较大,可提高风能利用率,为翼型优化设计提供了新思路。     

转捩点预测对风力机翼型气动性能分析的影响

分别用带转捩模型的边界层耦合计算方法和基于RANS方程的通用CFD方法对风力机常用翼型S809进行了气动分析.通过自由转捩、强制转捩和全湍流模式的比较,着重阐述边界层转捩点预测对风力机翼型气动性能计算分析的影响.