風力機翼型的氣動優(yōu)化設(shè)計與風洞試驗.pdf

1、作為一種清潔的可再生能源，風能引起了世界各國人民的關(guān)注和重視。預(yù)計未來20年左右，世界風電市場將以每年25％的速度遞增。由于風電市場被重視，風力機近期也得到了越來越廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。
　　風力機葉片是獲取風能的核心部件之一，其氣動性能決定了風力發(fā)電機的風能利用率、載荷特性及噪聲水平等，而作為構(gòu)成葉片外形基本要素的翼型，是決定葉片性能的最主要因素。因此，高性能風力機翼型的設(shè)計對于提高葉片的風能捕捉能力、降低葉片的系統(tǒng)載荷及相應(yīng)的質(zhì)量

2、有著重要的意義。為此，本文開展了風力機翼型的氣動分析方法與優(yōu)化設(shè)計方法以及風洞試驗技術(shù)研究，主要研究工作如下：
　　1.進行了風力機翼型的全流向繞流和極大迎角翼型風洞試驗洞壁干擾影響的數(shù)值模擬研究。
　　基于嵌套網(wǎng)格技術(shù)，采用非定常、預(yù)處理可壓縮雷諾平均N-S方程及k-ωSST湍流模型對風力機翼型在迎角±180o范圍內(nèi)的繞流進行了氣動特性計算研究，計算結(jié)果定性反映了氣動性能隨迎角變化的物理規(guī)律。為了進一步提高風力機翼型全流向

3、繞流氣動特性預(yù)測的精度，開展了基于WALE亞格子模型的LES方法的風力機翼型全流向繞流的氣動特性的計算研究，并與國內(nèi)外實驗結(jié)果進行了比較。通過比較表明：LES方法對風力機專用翼型全流向繞流氣動特性的預(yù)測和實驗結(jié)果吻合良好；LES方法是準確的、可靠的。利用驗證了的LES方法對洞壁干擾影響情況下DU93-W-210翼型的全流向繞流的氣動特性進行了計算研究，得到了洞壁影響的氣動力特性干擾量，并展示了流場細節(jié)。
　　2.進行了風力機翼型的

4、多目標優(yōu)化設(shè)計研究。
　　采用基于代理模型的Pareto多目標優(yōu)化設(shè)計方法，根據(jù)風力機葉片徑向不同站位翼型的不同要求，進行了不同厚度風力機翼型的氣動優(yōu)化設(shè)計，包括相對厚度分別為18%、21%、25%、30%、35%的風力機翼型，通過控制翼型吸力面轉(zhuǎn)捩點的位置來提高翼型的升阻特性和粗糙度不敏感性、以最大厚度及其位置為約束來保證幾何兼容性。通過優(yōu)化前后翼型的氣動性能的對比分析，說明了所設(shè)計的翼型能夠滿足風力機葉片對翼型的設(shè)計需求。

5、r>　　3.進行了基于Adjoint方法的風力機翼型氣動優(yōu)化設(shè)計研究。
　　通過引入Bracket線搜索方法，改進發(fā)展了基于Adjoint方法的翼型優(yōu)化設(shè)計方法，提高了優(yōu)化設(shè)計的魯棒性。算例表明，線搜索方法可以自動獲取最優(yōu)步長，有效解決了傳統(tǒng)的步長選取受到限制，優(yōu)化結(jié)果受步長影響的問題。在此基礎(chǔ)上，針對風力機翼型的多點多目標氣動優(yōu)化反設(shè)計，發(fā)展了基于 Adjoint方法的多點多目標氣動優(yōu)化設(shè)計程序，并進行了相關(guān)算例的驗證。針對Pa

6、reto多目標優(yōu)化設(shè)計得到的18%、21%相對厚度的風力機翼型，應(yīng)用改進的Adjoint方法的優(yōu)化設(shè)計方法，進行了減阻優(yōu)化設(shè)計研究。
　　4.風力機翼型的常規(guī)攻角和全流向風洞試驗研究。
　　介紹了NF-3風洞的試驗設(shè)備及采用的洞壁干擾修正方法。常規(guī)攻角時，進行了DU系列風力機翼型的NF-3風洞試驗，將試驗結(jié)果與TU Delft風洞試驗結(jié)果進行了比較，結(jié)果吻合，說明NF-3風洞的測試方法和設(shè)備條件能夠滿足風力機翼型風洞試驗的要