一种风力机钝尾缘翼型优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种风力机钝尾缘翼型优化设计方法，包括以下步骤：采用风力机翼型型线集成理论和B样条曲线，形成钝尾缘翼型型线参数化控制方程组；以翼型的形状函数系数、B样条控制参数以及钝尾缘厚度和其在中弧线上侧分配比为设计变量，建立非对称钝尾缘翼型优化设计模型；利用粒子群算法耦合XFOIL软件进行翼型优化设计，提出设计变量计及钝尾缘厚度及其在中弧线上侧分配比的钝尾缘翼型优化设计方法；针对S812翼型优化得到尾缘厚度2.61％弦长、厚度分配比0∶1的钝尾缘改型，采用CFD方法研究原翼型及其改型的升、阻力系数和升阻比。本发明专利技术的风力机钝尾缘翼型的气动性能显著提高，更好地提升了风力机的风能利用率，可降低发电成本。

An optimal design method of wind turbine blunt trailing edge airfoil

The invention discloses a wind turbine blunt brailing-edge airfoil optimization design method, which comprises the following steps: using the airfoil profile integration theory and B spline curve, forming a blunt trailing edge airfoil profile parameter control equations; to shape function coefficient, airfoil B spline control parameters and blunt trailing edge thickness and in the upper arc distribution ratio as design variables, the establishment of non symmetrical blunt trailing edge airfoil optimization design of airfoil model; optimization design using particle swarm algorithm coupled XFOIL software, proposes the design variables and the blunt trailing edge thickness and camber in the upper partition ratio of blunt trailing edge airfoil optimization design method for S812 airfoil optimization; get the trailing edge thickness 2.61% chord, thickness distribution ratio of 0: 1 blunt trailing edge modification, and the modification of airfoil using CFD method of lift and drag coefficient and lift drag ratio. The aerodynamic performance of the wing of the wind turbine is improved remarkably, the utilization rate of the wind energy of the wind turbine is improved, and the cost of power generation is reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种风力机钝尾缘翼型优化设计方法
本专利技术属于翼型改型及优化设计
，尤其是涉及一种利用计算流体力学与最优化算法的风力机钝尾缘翼型优化设计方法。
技术介绍
叶片是风力机捕获风能的重要部件，其翼型气动性能直接影响风力机的风能利用率。设计出性能良好的风力机翼型，对提高叶片的风能转换率至关重要。目前，风力机翼型的设计方法主要包括反设计和直接优化。直接优化方法能很好解决难以给定恰当目标压力和速率分布的问题，并使计算流体动力学(CFD)和最优化方法的多学科交叉设计成为可能。国内外学者在风力机翼型直接优化设计研究方面取得了一系列的进展。Ribeiro等、Diavareshkian等分别利用Bezier曲线和改进的Hicks-Henne函数参数化表示翼型，采用遗传算法耦合CFD以及人工神经网络模型进行翼型优化设计。Liu等修改Bezier曲线基函数，建立翼型参数化表达式，采用遗传算法进行优化设计。Sanaye等利用三次Bezier曲线构造翼型参数化表示方法，采用遗传算法结合XFOIL与NAFNoise软件对S822翼型进行多目标优化设计。Karthikeyan等使用形状分类函数转换法形成翼型参数化表达式，采用Matlab遗传算法工具箱调用XFOIL软件进行翼型型线优化设计。白井艳等利用NUMECA软件的AUTOBLADE模块进行翼型几何设计，建立风力机专用翼型族。琚亚平等运用Bezier函数建立翼型参数化表征方法，采用人工神经网络和遗传算法来优化FX63-167翼型。陈进等基于儒可夫斯基保角变换和西奥道生法，提出风力机翼型型线集成理论，并利用遗传算法进行翼型优化。该翼型型线集成理论与其他翼型型线表征形式相比，更易于优化和扩展形成新的翼型型线，将翼型形状优化问题转化为几何参数优化问题。此外，进行钝尾缘改型也是提高叶片的气动性能以及强度、刚度的有效措施。很多学者对钝尾缘翼型进行了深入的研究，结果表明钝尾缘改型可以增加最大升力和失速攻角，降低最大升力对前缘粗糙的敏感性；并在结构上增大了横截面的面积和弯曲惯性矩，使叶片能承担更大的压力载荷。鉴于优化设计和钝尾缘改型均能提高翼型的气动性能，且钝尾缘改型同时提高了叶片的结构特性，因此进行钝尾缘翼型的优化设计具有重要的意义。陈进等利用翼型型线集成理论构造尖尾缘翼型，对尖尾缘翼型的尾缘对称加厚得到钝尾缘翼型，并对其进行优化设计，结果显示新翼型具有良好的结构特性和几何兼容性，且气动性能得到提高。上述研究在单独考虑翼型型线参数化表达和钝尾缘改型情况下进行，而在钝尾缘翼型型线参数化表达中包含钝尾缘厚度及其在中弧线上侧分配比的影响，并进行翼型的优化设计的研究并未涉及。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种风力机钝尾缘翼型优化设计方法，该方法可采用风力机翼型型线集成理论和B样条曲线，形成钝尾缘翼型型线参数化控制方程组；以翼型的形状函数系数、B样条控制参数以及钝尾缘厚度和其在中弧线上侧分配比为设计变量，建立非对称钝尾缘翼型优化设计模型；利用粒子群算法耦合XFOIL软件进行翼型优化设计，提出设计变量计及钝尾缘厚度及其在中弧线上侧分配比的非对称钝尾缘翼型优化设计方法，实现风力机钝尾缘翼型优化设计精确性的提高。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种风力机钝尾缘翼型优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)，钝尾缘翼型型线表达方法：鉴于B样条曲线易于实现局部调控、更逼近特征多边形以及能使曲线通过指定点的优势，结合翼型型线集成理论建立钝尾缘翼型型线参数化控制方程组；翼型的上翼面距前缘0.4c(c为弦长)之前和下翼面距前缘0.5c之前的型线，均采用翼型型线集成理论进行表达，因此该段翼型型线坐标可以表示为：式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标，a为1/4翼型弦长，θ为幅角，ρ(θ)为翼型的形状函数，ρ(θ)采用多项式可表达为：ρ(θ)＝C0+C1θ+C2θ2+...+Ckθk，k＝1，2，3，...，n(2)式中，C0，C1，C2，...，Ck为形状函数系数，C0＝1；通过调整C1，C2，...，Ck，对翼型的形状进行控制；上翼面距前缘0.4c之后和下翼面距前缘0.5c之后的型线坐标，均采用B样条曲线进行表示；为使翼型型线集成理论与B样条曲线在结合点处具有连续、光滑的特性，采用三次B样条曲线矩阵形式表示翼型后缘型线坐标，翼型上翼面后缘的型线坐标为：同理，下翼面后缘的型线可以表示为：式中，P0、P1、P2、P3为上翼面后缘型线控制点，P′0、P′1、P′2、P′3为下翼面后缘型线控制点；步骤(2)，钝尾缘翼型优化数学模型：将最大升阻比作为目标函数，选取翼型的形状函数ρ(θ)中第2到第12项系数、钝尾缘厚度和其在中弧线上侧分配比以及B样条曲线控制点为设计变量，利用粒子群优化算法与XFOIL软件耦合，进行钝尾缘翼型型线的优化设计，钝尾缘翼型优化设计流程图为图1；步骤(3)，钝尾缘翼型优化和气动性能分析：采用上述步骤(2)的钝尾缘翼型优化数学模型对翼型进行优化设计，尖尾缘翼型与优化得到钝尾缘翼型的型线如图2所示，利用FLUENT软件数值计算其气动性能如图3、图4和图5所示；步骤(4)，通过步骤(1)至步骤(3)实现风力机钝尾缘翼型优化设计。由于采用上述技术方案，与现有方法相比，本专利技术的风力机钝尾缘翼型优化设计方法，采用风力机翼型型线集成理论和B样条曲线，可形成钝尾缘翼型型线参数化控制方程组；以翼型的形状函数系数、B样条控制参数以及钝尾缘厚度和其在中弧线上侧分配比为设计变量，可建立非对称钝尾缘翼型优化设计模型；利用粒子群算法耦合XFOIL软件，可实现设计变量计及钝尾缘厚度及其在中弧线上侧分配比的非对称钝尾缘翼型优化设计，该优化得到的钝尾缘翼型相比于原尖尾缘翼型，其气动性能得到明显改善，从而提高了风力机的风能利用率。本专利技术方法解决了所述的问题，提高了风力机钝尾缘翼型优化设计的精确性，为翼型设计提供了技术支持和重要参考。附图说明下面通过参考附图并结合实例具体地描述本专利技术，本专利技术的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本专利技术的解释说明，而不构成对本专利技术的任何意义上的限制，在附图中：图1是本专利技术风力机钝尾缘翼型优化设计流程图；图2是本专利技术S812翼型钝尾缘优化前后型线图；图3是本专利技术S812与S812BT翼型的升力系数图；图4是本专利技术S812与S812BT翼型的阻力系数图；图5是本专利技术S812与S812BT翼型的升阻比图。具体实施方式下面结合实施例及其附图进一步叙述本专利技术：本专利技术一种风力机钝尾缘翼型优化设计方法基于以下设计思想：1、采用风力机翼型型线集成理论和B样条曲线，形成钝尾缘翼型型线参数化控制方程组，以防止翼型型线集成理论无法对尾缘形状进行很好的控制；2、以翼型的形状函数系数、B样条控制参数以及钝尾缘厚度和其在中弧线上侧分配比为设计变量，建立非对称钝尾缘翼型优化设计模型，以防止未计及钝尾缘参数造成翼型优化模型的准确度降低；3、利用粒子群算法耦合XFOIL软件，实现设计变量计及钝尾缘厚度及其在中弧线上侧分配比的非对称钝尾缘翼型优化设计，以防止风力机钝尾缘翼型优化设计的精确性较低。解决所述技术问题，本专利技术从钝尾缘翼型型线参数化表达构建和优化数学模型建立等方面进行了创新设计：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力机钝尾缘翼型优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)，钝尾缘翼型型线表达方法：鉴于B样条曲线易于实现局部调控、更逼近特征多边形以及能使曲线通过指定点的优势，结合翼型型线集成理论建立钝尾缘翼型型线参数化控制方程组；翼型的上翼面距前缘0.4c(c为弦长)之前和下翼面距前缘0.5c之前的型线，均采用翼型型线集成理论进行表达，因此该段翼型型线坐标可以表示为：

【技术特征摘要】
1.一种风力机钝尾缘翼型优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)，钝尾缘翼型型线表达方法：鉴于B样条曲线易于实现局部调控、更逼近特征多边形以及能使曲线通过指定点的优势，结合翼型型线集成理论建立钝尾缘翼型型线参数化控制方程组；翼型的上翼面距前缘0.4c(c为弦长)之前和下翼面距前缘0.5c之前的型线，均采用翼型型线集成理论进行表达，因此该段翼型型线坐标可以表示为：式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标，a为1/4翼型弦长，θ为幅角，ρ(θ)为翼型的形状函数，ρ(θ)采用多项式可表达为：ρ(θ)＝C0+C1θ+C2θ2+…+Ckθk，k＝1，2，3，…，n(2)式中，C0，C1，C2，…，Ck为形状函数系数，C0＝1；通过调整C1，C2，…，Ck，对翼型的形状进行控制；上翼面距前缘0.4c之后和下翼面距前缘0.5c之后的型线坐标，均采用B样条曲线进行表示；为使翼型型线集成理论与B样条曲线在结合点处具有连续、光滑的特性，采用三次B样条曲线矩阵形式表示翼型后缘型线坐标，翼型上翼面后缘的型线坐标为：同理，下翼面后缘的型线可以表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，王格格，李伟，刘海龙，张孟洁，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12