風(fēng)力機翼型的氣動優(yōu)化設(shè)計與風(fēng)洞試驗.pdf

1、作為一種清潔的可再生能源，風(fēng)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(fēng)電市場將以每年25％的速度遞增。由于風(fēng)電市場被重視，風(fēng)力機近期也得到了越來越廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。
　　風(fēng)力機葉片是獲取風(fēng)能的核心部件之一，其氣動性能決定了風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)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(fēng)力機翼型的設(shè)計對于提高葉片的風(fēng)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(fēng)力機翼型的氣動分析方法與優(yōu)化設(shè)計方法以及風(fēng)洞試驗技術(shù)研究，主要研究工作如下：
　　1.進(jìn)行了風(fēng)力機翼型的全流向繞流和極大迎角翼型風(fēng)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(fēng)力機翼型在迎角±180o范圍內(nèi)的繞流進(jìn)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(jìn)一步提高風(fēng)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(fēng)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(jìn)行了比較。通過比較表明：LES方法對風(fēng)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(zhǔn)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(jìn)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(xì)節(jié)。
　　2.進(jìn)行了風(fēng)力機翼型的

4、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計研究。
　　采用基于代理模型的Pareto多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，根據(jù)風(fēng)力機葉片徑向不同站位翼型的不同要求，進(jìn)行了不同厚度風(fēng)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(fēng)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(fēng)力機葉片對翼型的設(shè)計需求。

5、r>　　3.進(jìn)行了基于Adjoint方法的風(fēng)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(jìn)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(fēng)力機翼型的多點多目標(biāo)氣動優(yōu)化反設(shè)計，發(fā)展了基于 Adjoint方法的多點多目標(biāo)氣動優(yōu)化設(shè)計程序，并進(jìn)行了相關(guān)算例的驗證。針對Pa

6、reto多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計得到的18%、21%相對厚度的風(fēng)力機翼型，應(yīng)用改進(jìn)的Adjoint方法的優(yōu)化設(shè)計方法，進(jìn)行了減阻優(yōu)化設(shè)計研究。
　　4.風(fēng)力機翼型的常規(guī)攻角和全流向風(fēng)洞試驗研究。
　　介紹了NF-3風(fēng)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(jìn)行了DU系列風(fēng)力機翼型的NF-3風(fēng)洞試驗，將試驗結(jié)果與TU Delft風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果吻合，說明NF-3風(fēng)洞的測試方法和設(shè)備條件能夠滿足風(fēng)力機翼型風(fēng)洞試驗的要