水平軸風(fēng)力機(jī)翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究.pdf

1、葉片是風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生升力和阻力的重要部件，而構(gòu)成葉片剖面的翼型，其空氣動力學(xué)特性對葉片性能有著直接、重要的影響。發(fā)展多目標(biāo)多約束的高性能翼型是目前研究的熱點(diǎn)。
　　本文根據(jù)翼型的初步設(shè)計(jì)和修形設(shè)計(jì)兩個(gè)不同階段要求，采取不同的繞流求解方案。在修形設(shè)計(jì)階段，利用基于勢流方程與邊界層方程耦合的求解器（XFOIL）獲取氣動特性參數(shù)；通過與NASA公布的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了XFOIL的計(jì)算符合本階段高精度的要求。在初步設(shè)計(jì)階段，采用基于不可

2、壓縮勢流方程及普朗特—葛勞渥壓縮性修正公式的面元法（包括渦、偶極子、線性強(qiáng)度渦三種）獲得氣動特性參數(shù)；通過與XFOIL在不同工況下的計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)證了面元法具有本階段所需的穩(wěn)定、快速、粗估計(jì)的分析能力。
　　對目前應(yīng)用較廣泛的三類翼型參數(shù)化方法：型函數(shù)擾動法，如多項(xiàng)式型函數(shù)、Hicks-Henne型函數(shù)；控制點(diǎn)法，如Bezier函數(shù)、Spline函數(shù)、B-Spline函數(shù)；復(fù)合映射法，如形狀函數(shù)，做了關(guān)于可控性和完備性的灰評估分

3、析。結(jié)果表明：第一類方法計(jì)算精確性高，第二類方法收斂穩(wěn)定性強(qiáng)，第三類方法因?yàn)楂@得同等精度的結(jié)果需要增加較多的變量，計(jì)算負(fù)荷過重，所以不利于推廣。
　　先后建立了基于SQP算法的逆設(shè)計(jì)模型和基于GA算法的正設(shè)計(jì)模型。前一模型在指定升力系數(shù)的條件下，以多項(xiàng)式目標(biāo)壓強(qiáng)分布作為目標(biāo)，能在半分鐘之內(nèi)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的兩種翼型：一種是反翹翼型，適用于對風(fēng)力機(jī)葉片強(qiáng)度和對整機(jī)穩(wěn)定性要求高的情況；另一種是平頂翼型，適用于風(fēng)速較低、風(fēng)向多變化，又要求風(fēng)力

4、機(jī)運(yùn)行效率高的情況。在后一模型的測試中，重點(diǎn)探討了風(fēng)力機(jī)翼型置于多工況運(yùn)行條件下的非線性綜合目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)命題。在高升阻比對稱翼型的設(shè)計(jì)算例中，優(yōu)化后的翼型相比相同厚度的NACA0015.5，具有更寬闊、更有效的工作區(qū)間，能在氣流多角度的沖擊下，保持高升阻比特性。在低噪聲翼型的設(shè)計(jì)算例中，優(yōu)化后的翼型不僅具有良好的氣動性能，而且具有較好的聲學(xué)性能；能在任意攻角下提高升阻比，并在頻率大于4×103Hz的區(qū)間內(nèi)減小噪聲聲壓級，最大減小量達(dá)