基于尾緣改型理論的風力機專用翼型和葉片設計及仿真理論研究.pdf

1、在各種可再生能源中,風能最有開發(fā)價值。風輪葉片是風力發(fā)電機中最核心、最基礎的部件,而葉片的截面翼型形狀是葉片中最基礎也最重要的幾何特征,是決定風力機功率特性和載荷特性的根本因素。所以從影響風力機葉片及翼型空氣動力學性能的物理本質(zhì)出發(fā),對風力機葉片及其翼型展開原創(chuàng)性的研究工作,設計出適用于風力機的綜合性能優(yōu)異的翼型和葉片,就顯得尤為必要。
　　 在國家自然科學基金項目(編號:50775227)和重慶市自然科學基金重點項目(編號:C

2、STC,2008BC3029)資助下,本文提出了“基于尾緣改型理論的風力機專用翼型和葉片設計及仿真理論研究”的研究課題。研究中針對風力機葉片的關鍵幾何因素-翼型,提出一種混合式尾緣改型方法,以對現(xiàn)有的翼型表達方法進行參數(shù)化再設計,改善了原有的保角變換翼型泛函集成理論,克服了原有泛函集成方法無法對翼型尾緣附近形狀進行有效控制的缺陷;綜合考慮影響風力機翼型及葉片形狀設計的多學科復雜耦合關系,探討各個學科對風力機葉片翼型廓線的要求和影響規(guī)律;

3、研究了多目標優(yōu)化算法的運行機理,提出了一種加入了平衡算子的NSGAⅡ(Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGAⅡ)非支配排序多目標遺傳算法作為設計工具,全面考慮各種工況下各種氣動性能的耦合效應,使得翼型的優(yōu)化設計能夠在全局解空間中更好的向擁有更高綜合氣動性能的個體發(fā)展。設計得到了一系列綜合性能優(yōu)異的風力機專用翼型,并使用這些翼型設計了大型、小型兩組風力機葉片。針對現(xiàn)有的通用的計算流體力學軟

4、件的特點,研究了適用于風力發(fā)電機這一特定工程問題的數(shù)值仿真理論,對實驗翼型和葉片進行了模擬仿真,對仿真結(jié)果進行了詳盡的分析,細化的研究了風力機葉片及翼型在運行過程中的氣動流場特性,壓力分布特性等物理本質(zhì),通過與實驗數(shù)據(jù)的對比證明仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較為符合,驗證了本文所采用的仿真手段的有效性。對所設計的翼型和葉片進行了仿真分析,仿真結(jié)果表明,使用了本文設計翼型的風力機葉片較實驗葉片有更高的功率特性。論文完成的主要研究工作和取得的研究成果主

5、要有:
　　 ①針對現(xiàn)有翼型集成方法的不足,提出了一種混合式尾緣改型方法,該方法有效的克服了現(xiàn)有翼型集成方法無法針對翼型尾緣形狀進行有效控制的缺陷。通過結(jié)合混合式尾緣改型方法和保角變換翼型泛函集成理論,形成了一種新的翼型參數(shù)化集成方法。通過分析這種新的集成方法與其他幾種集成方法所設計的翼型的氣動參數(shù),證明了該方法控制翼型形狀的全面性和有效性。
　　 ②針對現(xiàn)有的非支配排序遺傳算法NSGAⅡ的不足,提出了一種加入了平衡算子

6、的NSGAⅡ多目標遺傳算法,克服了原NSGAⅡ算法在非劣最優(yōu)解中容易保持有大量單目標出色,而其他目標較差的個體,重復計算量大等缺點,使得群體中各項性能較為平衡的個體有更大的概率參與遺傳操作,從而降低極端個體在算法中的適應度值,使算法尋優(yōu)的過程更加順利,為風力機專用翼型族的優(yōu)化設計奠定了基礎。
　　 ③以結(jié)合了混合式尾緣改型方法和保角變換翼型泛函集成理論的翼型參數(shù)化集成方法為基礎,使用加入了平衡算子的NSGAⅡ遺傳算法為工具,面向

7、多個氣動性能指標,建立了風力機專用翼型的優(yōu)化設計模型,突破了原有設計理論單一目標,串行化設計的限制,優(yōu)化設計得到了一系列綜合性能優(yōu)異的風力機專用翼型。在相同雷諾數(shù)和相對厚度下,對優(yōu)化翼型和工業(yè)中的現(xiàn)有翼型進行了性能計算比較,驗證了本研究所提出的風力機專用翼型多目標設計理論和方法的有效性,為設計氣動性能全面的高效率風力機葉片翼型奠定了良好的基礎,拓寬了設計的思路。
　　 ④進行了計算流體力學軟件FLUENT中湍流模型對風力機氣動性

8、能分析適應性研究,通過對一個二維實驗翼型使用三種湍流模型進行了仿真計算,得到翼型的各種氣動性能參數(shù)。將三種計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行分析比較,確定了k-ω SST湍流模型作為風力機氣動性能仿真計算的湍流模型。并對設計所得翼型進行了數(shù)值仿真模擬,探討了翼型隨著攻角變化的流場特性。
　　 ⑤研究了三維風輪實體模型的外部流場域的網(wǎng)格劃分方法和復雜三維模型氣動問題的數(shù)值模擬收斂性及精確度控制方法。對一個三維風輪實體模型在多個工況下進行了模擬

9、仿真。對計算得到的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較,對仿真結(jié)果的流場進行了詳細的分析,揭示了風力機葉片及翼型在運行過程中的氣動流場特性,壓力分布特性等物理本質(zhì),驗證了本章所建立的數(shù)值模擬方法的適用性與準確性。
　　 ⑥使用本研究所設計的CS-SS小型風力機翼型族及CQU-TUS系列翼型設計了小型、大型兩種風輪并使用與上述實驗風輪相同的方法進行建模、網(wǎng)格劃分及仿真分析,仿真結(jié)果表明:設計風輪較之試驗風輪及NREL風輪有更高的氣動性能