一种考虑高湍流自由来流效应的风力机翼型气动优化方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑高湍流自由来流效应的风力机翼型气动优化方法，根据实际风场中叶片翼型来流的高湍流特性，将入流湍流强度对翼型气动效率、载荷等的影响参数化，建立最大升阻比和最大升力系数的敏感性参数，再以权重系数法结合翼型效率与载荷参数、表面粗糙敏感性以及雷诺数效应等目标参数，形成了翼型多工况气动优化模型，并结合遗传算法构建了翼型气动优化方法。基于数值模拟与评估表明，采用本发明专利技术所提出的翼型气动优化方法，在保持高设计升力系数、提高最大升阻比同时，显著降低了翼型气动性能随着自由来流湍流强度变化的敏感性参数；另外翼型的最大升力系数得到了有效限制，失速过程更为平缓。

An Aerodynamic Optimization Method for Wind Turbine Airfoils Considering the Free Flow Effect of High Turbulence

The invention discloses an aerodynamic optimization method for wind turbine airfoil considering the effect of free inflow of high turbulence. According to the high turbulence characteristics of the inflow of blade airfoil in actual wind field, the influence of inflow turbulence intensity on aerodynamic efficiency and load of airfoil is parameterized, the sensitivity parameters of maximum lift-drag ratio and maximum lift coefficient are established, and then the weight coefficient method is combined with airfoil efficiency and load parameters. The multi-condition aerodynamic optimization model of airfoil is formed by the target parameters such as surface roughness sensitivity and Reynolds number effect, and the aerodynamic optimization method of airfoil is constructed by combining genetic algorithm. Based on numerical simulation and evaluation, it is shown that the airfoil aerodynamic optimization method proposed by the present invention can significantly reduce the sensitivity parameters of airfoil aerodynamic performance varying with free-flow turbulence intensity while maintaining high design lift coefficient and increasing maximum lift-drag ratio; in addition, the maximum lift coefficient of airfoil is effectively limited and the stall process is more smooth.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑高湍流自由来流效应的风力机翼型气动优化方法
本专利技术属于风力机翼型设计领域，涉及一种风力机翼型的气动优化方法，具体涉及适用于高湍流自由来流风场中具有气动性能低敏感性的风力机翼型优化设计方法。
技术介绍
翼型是风电叶片的展向设计元素。翼型空气动力学性能的优劣从根本上决定了风电叶片的风能转换效率和载荷特性。因此，从二维翼型的角度研究各种入流条件下边界层发展规律，研发出气动性能优异的风力机翼型，是实现风电叶片在复杂风场环境下高效、稳定、安全运行的基本手段。自20世纪80年代以来，研发人员设计出多种通用型风力机翼型系列并逐步取代了航空翼型在水平轴风力机上的应用。这些风力机翼型是基于运行在大气边界层底层的风电叶片和运动在高层稳定大气层中的机翼的流动差异专门设计得到；另一方面，随着风电产业的发展，翼型气动目标也随着风电叶片的功率控制类型、人们对于叶片流动机理的认识水平、设计技术的进步而不断丰富和深化。例如，为保证实际风场中复杂风况条件下的发电量，对于风力机翼型的气动优化目前至少达到了以下共识：1)在设计条件下具有高气动效率，2)非设计攻角下气动力波动小，3)最大升力系数随前缘粗糙具有低敏感性等。风场实测表明，具有低前缘粗糙敏感性的风力机专用翼型有效提高了风场的发电量(30％以上)。但风场实测的风力机运行功率曲线仍与设计条件下的静态功率曲线存在较大差距。其原因在于复杂风场条件下的风电叶片多尺度流动因素相互耦合，使得叶片无法稳定运行在“设计条件”下；例如运行攻角、运行雷诺数、表面粗糙状况、入流湍流强度等均与设计条件存在较大差异。从翼型的角度分析，表面粗糙导致的强制转捩可使翼型最大升阻比下降50％左右，因此低前缘粗糙敏感性一直是风力机翼型的关键优化目标；近年来有学者进一步将雷诺数效应导致的翼型气动力变化作为优化目标，以提高叶片气动载荷稳定性。但是对于翼型流动边界层转捩和分离具有重要影响的自由来流湍流扰动，至今尚没有将其考虑到翼型设计之中。目前风力机翼型气动设计通常基于均匀自由来流假设(设定为极低自由来流湍流水平，一般为0.1％以下，对应为自然转捩模式)；而用于叶片设计的翼型数据也是低湍流风洞中测量结果，所对应的入流湍流强度一般在0.5％以下，纯净的低速风洞甚至可以低至0.07％。而实际风场中自由来流湍流强度则高达10％以上；即便对处于额定风速以上运行的多兆瓦级叶片外侧翼型来说，其入流湍流强度也可达到1％～2％的水平，远高于设计时的入流湍流强度。风洞试验和数值模拟均表明，高湍流自由来流对翼型边界层的转捩模式(自然转捩或旁路转捩)、发展方式以及分离点的位置存在显著影响，进而对翼型的气动力系数则存在负面效应。例如，评估表明，对于通用型叶片外侧翼型而言，当自由来流湍流强度自0.1％增加至1％左右时，翼型的最大升阻比可下降25％，最大升力系数可下降5％。更为重要的是，自由来流湍流具有时空的非定常性和不确定性，以极低自由来流湍流扰动为设计条件的翼型在高扰动条件下的实际风场中不仅会导致叶片的气动效率偏低，疲劳载荷增加，更会使得叶片极限载荷具有不可预测性。为提高叶片在实际风场条件下的风能捕获效率，降低运行安全风险，必须将高湍流自由来流对翼型气动性能的影响考虑到风力机翼型的优化设计之中，发展风力机翼型气动优化模型和优化设计方法。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术旨在将高湍流自由来流的影响引入到风力机翼型优化设计中，根据复杂风场中风电叶片的高湍流入流特性，在满足翼型基本设计需求外，进一步对翼型气动效率、载荷等随来流扰动的敏感性进行优化，集成翼型多工况分析与优化设计，形成具有自由来流扰动低敏感性的翼型气动优化方法以及由该方法得到的风力机翼型。本专利技术的技术目的是通过以下技术方案实现的：一种考虑高湍流自由来流效应的翼型气动优化方法，根据复杂风场中风电叶片的高湍流入流特性，在满足翼型基本设计需求的前提下，对翼型气动效率、载荷随来流扰动的敏感性进行优化，其特征在于，所述翼型气动优化方法包括如下步骤：SS1.确定目标翼型基本运行条件：根据目标翼型所适用的风力机叶片的容量、长度以及目标翼型在风力机叶片展向上的适用位置，确定目标翼型的相对厚度以及在风力机叶片适用位置处的运行条件；根据目标翼型在风力机叶片适用位置处的运行条件，确定目标翼型的运行攻角范围、运行雷诺数条件和入流风湍流水平；SS2.预评估参考翼型的各项气动性能特征参数：选择一组与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为参考翼型系列，计算各参考翼型在所述目标翼型的设计工况条件以及若干非设计变工况条件下的基本气动力系数，进而评估各参考翼型的各项气动性能特征参数，所述各项气动性能特征参数中至少包括表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数；SS3.确定目标翼形的气动优化目标函数：基于步骤SS2获得的各项气动性能特征参数的预评估结果，至少将表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数设定为优化目标参数fi；基于各项优化目标参数fi的量级大小，对各项优化目标参数fi赋予归一化尺度因子si；根据目标翼型设计需求侧重确定各项优化目标参数fi的权重系数wi；根据各项优化目标参数fi在优化过程中增减的期望，对各项优化目标参数fi赋予期望系数ei；根据各项优化目标参数fi以及其归一化尺度因子si、权重系数wi、期望系数ei，得到目标翼型的气动优化目标函数f，所述目标翼型的气动优化目标函数f的表达式如下：f＝∑eisiwifi；SS4.设定目标翼型的寻优空间和约束条件：选择一与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为初始翼型，以翼型的几何特征参数作为目标翼型设计变量，根据所述初始翼型的几何特征及其叶片结构兼容性要求，设定目标翼型设计变量的上下界，所述目标翼型设计变量的上下界即为目标翼型的寻优空间和约束条件，其中，所述叶片结构兼容性要求为初始翼型和与其同一系列的其他厚度翼形的几何兼容性，至少包括最大厚度位置与尾缘厚度的几何兼容性；SS5.迭代优化与评估：采用全局性最优化方法对所述目标翼型的气动目标函数f进行迭代优化，得到目标翼型；其中每一步迭代优化过程中均至少包括翼型几何设计、多工况条件下的翼型气动性能计算、翼型气动性能评估等过程。进一步地，步骤SS1中，目标翼型的基本运行条件采用叶素动量理论预估得到：根据目标翼型所适用风力机叶片的容量以及长度，采用叶素动量理论分别计算得到切入风速、额定风速以及切出风速条件下目标翼型所适用风力机叶片展向位置附近的运行攻角范围、运行雷诺数范围；目标翼型的入流湍流水平根据所适用风力机叶片的尖速比以及风场湍流水平预估得到。进一步地，步骤SS2中，将目标翼型的基本运行条件作为目标翼型的设计工况条件，以所述基本运行条件的上界和/或下界作为变工况条件；其中，为与各参考翼型的气动特性以及实验数据进行有效比较，仍以低湍流自由来流为目标翼型的设计入流湍流条件，但设定目标翼型实际运行的高湍流入流强度作为变工况入流湍流条件。进一步地，步骤SS2中，表征气动效率的气动性能特征参数至少包括最大升阻比l/dmax；表征设计载荷的气动性能特征参数至少包括设计点升力系数cl,desi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑高湍流自由来流效应的翼型气动优化方法，根据复杂风场中风电叶片的高湍流入流特性，在满足翼型基本设计需求的前提下，对翼型气动效率、载荷随来流扰动的敏感性进行优化，其特征在于，所述翼型气动优化方法包括如下步骤：SS1.确定目标翼型基本运行条件：根据目标翼型所适用的风力机叶片的容量、长度以及目标翼型在风力机叶片展向上的适用位置，确定目标翼型的相对厚度以及在风力机叶片适用位置处的运行条件；根据目标翼型在风力机叶片适用位置处的运行条件，确定目标翼型的运行攻角范围、运行雷诺数条件和入流风湍流水平；SS2.预评估参考翼型的各项气动性能特征参数：选择一组与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为参考翼型系列，计算各参考翼型在所述目标翼型的设计工况条件以及若干非设计变工况条件下的基本气动力系数，进而评估各参考翼型的各项气动性能特征参数，所述各项气动性能特征参数中至少包括表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数；SS3.确定目标翼形的气动优化目标函数：基于步骤SS2获得的各项气动性能特征参数的预评估结果，至少将表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数设定为优化目标参数fi；基于各项优化目标参数fi的量级大小，对各项优化目标参数fi赋予归一化尺度因子si；根据目标翼型设计需求侧重确定各项优化目标参数fi的权重系数wi；根据各项优化目标参数fi在优化过程中增减的期望，对各项优化目标参数fi赋予期望系数ei；根据各项优化目标参数fi以及其归一化尺度因子si、权重系数wi、期望系数ei，得到目标翼型的气动优化目标函数f，所述目标翼型的气动优化目标函数f的表达式如下：f＝∑eisiwifi；SS4.设定目标翼型的寻优空间和约束条件：选择一与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为初始翼型，以翼型的几何特征参数作为目标翼型设计变量，根据所述初始翼型的几何特征及其叶片结构兼容性要求，设定目标翼型设计变量的上下界，所述目标翼型设计变量的上下界即为目标翼型的寻优空间和约束条件，其中，所述叶片结构兼容性要求为初始翼型和与其同一系列的其他厚度翼形的几何兼容性，至少包括最大厚度位置与尾缘厚度的几何兼容性；SS5.迭代优化与评估：采用全局性最优化方法对所述目标翼型的气动目标函数f进行迭代优化，得到目标翼型；其中每一步迭代优化过程中均至少包括翼型几何设计、多工况条件下的翼型气动性能计算、翼型气动性能评估等过程。...

【技术特征摘要】
1.一种考虑高湍流自由来流效应的翼型气动优化方法，根据复杂风场中风电叶片的高湍流入流特性，在满足翼型基本设计需求的前提下，对翼型气动效率、载荷随来流扰动的敏感性进行优化，其特征在于，所述翼型气动优化方法包括如下步骤：SS1.确定目标翼型基本运行条件：根据目标翼型所适用的风力机叶片的容量、长度以及目标翼型在风力机叶片展向上的适用位置，确定目标翼型的相对厚度以及在风力机叶片适用位置处的运行条件；根据目标翼型在风力机叶片适用位置处的运行条件，确定目标翼型的运行攻角范围、运行雷诺数条件和入流风湍流水平；SS2.预评估参考翼型的各项气动性能特征参数：选择一组与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为参考翼型系列，计算各参考翼型在所述目标翼型的设计工况条件以及若干非设计变工况条件下的基本气动力系数，进而评估各参考翼型的各项气动性能特征参数，所述各项气动性能特征参数中至少包括表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数；SS3.确定目标翼形的气动优化目标函数：基于步骤SS2获得的各项气动性能特征参数的预评估结果，至少将表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数设定为优化目标参数fi；基于各项优化目标参数fi的量级大小，对各项优化目标参数fi赋予归一化尺度因子si；根据目标翼型设计需求侧重确定各项优化目标参数fi的权重系数wi；根据各项优化目标参数fi在优化过程中增减的期望，对各项优化目标参数fi赋予期望系数ei；根据各项优化目标参数fi以及其归一化尺度因子si、权重系数wi、期望系数ei，得到目标翼型的气动优化目标函数f，所述目标翼型的气动优化目标函数f的表达式如下：f＝∑eisiwifi；SS4.设定目标翼型的寻优空间和约束条件：选择一与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为初始翼型，以翼型的几何特征参数作为目标翼型设计变量，根据所述初始翼型的几何特征及其叶片结构兼容性要求，设定目标翼型设计变量的上下界，所述目标翼型设计变量的上下界即为目标翼型的寻优空间和约束条件，其中，所述叶片结构兼容性要求为初始翼型和与其同一系列的其他厚度翼形的几何兼容性，至少包括最大厚度位置与尾缘厚度的几何兼容性；SS5.迭代优化与评估：采用全局性最优化方法对所述目标翼型的气动目标函数f进行迭代优化，得到目标翼型；其中每一步迭代优化过程中均至少包括翼型几何设计、多工况条件下的翼型气动性能计算、翼型气动性能评估等过程。2.根据上述权利要求所述的翼型气动优化方法，其特征在于，步骤SS1中，目标翼型的基本运行条件采用叶素动量理论预估得到：根据目标翼型所适用风力机叶片的容量以及长度，采用叶素动量理论分别计算得到切入风速、额定风速以及切出风速条件下目标翼型所适用风力机叶片展向位置附近的运行攻角范围、运行雷诺数范围；目标翼型的入流湍流水平根据所适用风力机叶片的尖速比以及风场湍流水平预估得到。3.根据上述权利要求所述的翼型气动优化方法，其特征在于，步骤SS2中，将目标翼型的基本运行条件作为目标翼型的设计工况条件，以所述基本运行条件的上界和/或下界作为变工况条件；其中，为与各参考翼型的气动特性以及实验数据进行有效比较，仍以低湍流自由来流为目标翼型的设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李星星，杨科，张磊，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11