一种风力机叶片内侧厚翼型的气动稳健优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种风力机叶片内侧厚翼型的气动稳健优化设计方法，根据风力机叶片实际运行过程中来流雷诺数的不确定性，以翼型的最大升力系数、失速特征参数在随机性雷诺数条件下的概率统计量作为翼型受雷诺数不确定性影响的表征参数，采用权重系数法，进一步结合大攻角内翼型的气动升力特征为目标形成了厚翼型的稳健优化目标函数；以翼型几何结构特性为基本约束条件，结合遗传算法形成了厚翼型稳健优化设计方法。通过对具体案例优化结果的数值预测与评估表明，采用本发明专利技术提出的大厚度翼型稳健优化设计方法可使新翼型在大攻角范围内获得高气动升力水平的同时，还进一步提高翼型气动力特征随雷诺数变化的稳健性，实现了设计要求。

【技术实现步骤摘要】
一种风力机叶片内侧厚翼型的气动稳健优化设计方法
本专利技术属于水平轴风力机翼型设计
，涉及一种风力机叶片内侧厚翼型的设计方法，具体涉及一种不确定性入流雷诺数下风力机叶片内侧厚翼型的气动稳健性优化设计方法。
技术介绍
在当前风力机叶片设计体系下，三维叶片的气动设计仍然以二维翼型的性能为基础。翼型空气动力学性能的优劣从根本上决定了风力机叶片的风能转换效率和载荷特性。因此，开发出性能优良的风力机专用翼型是提高风力机叶片风能捕获效率与运行可靠性的基本方法。基于风力机叶片内在结构与气动矛盾，随着叶片的不断大型化发展，叶片展向内侧部分的设计须采用更厚的翼型以保证结构可靠性。而翼型相对厚度简单的线性增加往往以气动性能的降低为代价。因此开发出性能优良的厚翼型一直是风力机翼型优化设计的重要挑战。自20世纪80年代以来，风力机专用翼型研发的历史从一定程度上可以看作是不断追求气动性能优良的厚翼型的历程。厚翼型设计的难点在于翼型尾缘附近边界层流动的逆压梯度远较薄翼型的大，导致厚翼型在很小的攻角下即出现流动分离，给翼型气动性能的准确预测带来较大困难。尤其是对于叶片内侧翼型而言，由于叶片扭角的限制，使得该部位翼型的实际运行攻角大，多处于深失速区域。近年来，学者们先后改进了翼型设计中常用的粘性-无粘耦合迭代方法中边界层方程封闭关系以及湍流模型，提高了厚翼型大攻角内的预测精度。基于此，先后有学者提出了以大攻角范围内高气动升力为目标的大厚度翼型设计方法。但目前厚翼型的设计仍然基于确定性的设计条件(如雷诺数等)研发得到。而在实际风场中，由于风的湍流特性以及风剪切等因素的影响，叶片各截面翼型的雷诺数实际上是具有不确定性的。雷诺数是翼型的流动动力相似准则，对翼型边界层的流动状态和气动力特性具有重要影响，尤其是对翼型失速附近的气动特征。风洞测量和数值模拟结果均表明，对于航空翼型以及较薄的风力机专用翼型而言，雷诺数的增加对翼型性能的影响具有一致的规律，表现为最小阻力系数随着雷诺数的增加而单调降低，线性区升力系数的斜率增加，最大升力系数随着雷诺数的增加单调增加，失速攻角也相应增加。而对于厚翼型而言，研究人员发现雷诺数的增加对其最大升力系数、升阻比的影响并无一致规律，具有非线性。因此，以确定性雷诺数为设计条件得到的厚翼型，其气动性能在具有随机性的入流雷诺数条件下难以准确预测，给风力机的安全运行、功率与载荷控制带来了挑战。为提高叶片功率预测与控制水平，降低运行安全风险，须将入流雷诺数的不确定性对厚翼型气动性能的影响考虑到设计之中，提高其大攻角内的气动力水平和稳健性。目前的设计方法之中，有学者采用两种典型雷诺数工况下的翼型气动性能的线性变化率表征雷诺数对翼型性能影响的稳定性。该方法对于薄翼型而言较为合理。但是对于厚翼型而言，雷诺数效应是非线性的，上述方式不能准确表征雷诺数不确定性的影响，须采用真正的随机性方法获得翼型气动力特征的统计特性进行表征。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术根据实际风场中入流雷诺数的不确定性，以雷诺数为随机性设计条件，采用描述性蒙卡模拟随机采样方法描述入流雷诺数的不确定性对翼型气动力特征的影响，构建稳健优化设计模型，以翼型气动性能参数的统计量作为优化目标之一，对翼型大攻角范围内气动力特征的统计特性进行优化，形成风力机内侧厚翼型的稳健优化设计方法。本专利技术为实现其技术目的是通过以下技术方案实现的：一种风力机内侧厚翼型的气动稳健优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括如下步骤：SS1.根据目标内侧厚翼型在风力机叶片展向适用位置处的运行条件及其气动性能需求，设定目标内侧厚翼型的稳健优化目标函数F，其中，目标内侧厚翼型在风力机叶片展向适用位置处的运行条件，包括目标内侧厚翼型在切入切出风速之间的运行攻角范围、运行雷诺数范围；所述稳健优化目标函数F，至少将大攻角内基本升力特征参数以及升力特征随雷诺数变化的统计特征参数作为优化目标参数，其中，所述大攻角内基本升力特征参数，至少包括表征翼形大攻角下整体升力系数水平的目标升力系数Cl,obj以及大攻角下升力系数的平均变化率Scl；所述升力特征随雷诺数变化的统计特征参数，至少包括最大升力系数cl,max和失速特征参数Mstallx随雷诺数变化的均值μ(Cl,max)、μ(Mstallx)及标准方差σ(Cl,max)、σ(Mstallx)，所述失速特征参数Mstallx为失速后8°攻角范围内翼型升力系数变化量与升力系数随着攻角平均变化率乘积的最大值，其表达式为：式中，α、αstall分别为气流攻角、失速攻角，Cl为气流攻角α下的升力系数，cl,max为最大升力系数；根据目标内侧厚翼型的设计需求侧重分别分配各项优化目标参数的权重系数w，根据量级大小分别确定各项优化目标参数的归一化尺度因子s，根据在优化过程中增减的期望分别确定各项优化目标参数的期望系数e，所述稳健优化目标函数F的表达式为F＝∑eiwisifi，其中，fi为各项优化目标参数，ei为各项优化目标参数的期望系数，wi为各项优化目标参数的权重系数，si为各项优化目标参数的归一化尺度因子；SS2.设定目标内侧厚翼型的几何设计变量及几何设计空间：根据目标内侧厚翼型的设定最大相对厚度，选择一与所述设定最大相对厚度基本相同的翼形作为初始翼型；以翼型的几何特征参数作为目标内侧厚翼型的几何设计变量，所述几何设计变量至少包括翼形的最大相对厚度位置Xt、最大相对弯度Cam、最大相对弯度位置Xcam、前缘半径Rle、尾缘厚度Ttr，根据初始翼型的几何特征与结构兼容性要求，设定各所述几何设计变量的上下界并将其作为目标内侧厚翼型的几何设计空间；SS3.设定随机性设计条件：将入流雷诺数作为随机性设计条件，根据目标内侧厚翼型所处叶片展向位置处的运行雷诺数范围，确定作为随机性因子的入流雷诺数的基准值及其上下变化不确定性区间；对入流雷诺数在所述不确定性区间内进行随机性抽样，将其作为目标内侧厚翼型设计过程中的气动性能计算条件；SS4.给定设计约束条件，构建稳健优化模型：为保证结构强度与刚度需求，至少选择翼型的相对厚度T、截面积Area、二阶截面惯性矩skinI作为目标内侧厚翼型稳健优化的设计约束条件；SS5.采用遗传算法对稳健优化目标函数F进行迭代优化，直至取得最优解，获得目标内侧厚翼型，其中每一步优化迭代过程中均包含翼型设计、结构分析、对雷诺数描述性随机采样以及样本条件下的气动性能计算、厚翼型气动力特征评估等过程。优选地，步骤SS1中，所述大攻角内基本升力特征参数，包括20°攻角下的升力系数Cl,obj、20°～25°攻角范围内升力系数的平均变化率Scl。由于叶片内侧扭角限制，叶片内侧大厚度翼型的实际运行攻角一般处于失速点以后的深失速区。例如，45％相对厚度翼型的运行雷诺数一般处于15°～25°之间。此时再以传统的最大升阻比所对应的攻角为设计点已经失去意义，须以厚翼型实际运行所处的大攻角区域的气动特性为目标。对于大厚度翼型而言，较高的升力系数可以提高叶片转矩。因此期望翼型在大攻角内具有较高的升力水平，且升力系数随着攻角的变化率较小。此外，步骤SS1中，翼型设计目标参数中以最大升力系数和失速特征参数的统计量(均值μ与标准方差σ)表征随机性雷诺数的影响。厚翼型失速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力机内侧厚翼型的气动稳健优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括如下步骤：SS1.根据目标内侧厚翼型在风力机叶片展向适用位置处的运行条件及其气动性能需求，设定目标内侧厚翼型的稳健优化目标函数F，其中，目标内侧厚翼型在风力机叶片展向适用位置处的运行条件，包括目标内侧厚翼型在切入切出风速之间的运行攻角范围、运行雷诺数范围；所述稳健优化目标函数F，至少将大攻角内基本升力特征参数以及升力特征随雷诺数变化的统计特征参数作为优化目标参数，其中，所述大攻角内基本升力特征参数，至少包括表征翼形大攻角下整体升力系数水平的目标升力系数Cl,obj以及大攻角下升力系数的平均变化率Scl；所述升力特征随雷诺数变化的统计特征参数，至少包括最大升力系数cl,max和失速特征参数Mstallx随雷诺数变化的均值μ(Cl,max)、μ(Mstallx)及标准方差σ(Cl,max)、σ(Mstallx)，所述失速特征参数Mstallx为失速后8°攻角范围内翼型升力系数变化量与升力系数随着攻角平均变化率乘积的最大值，其表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种风力机内侧厚翼型的气动稳健优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括如下步骤：SS1.根据目标内侧厚翼型在风力机叶片展向适用位置处的运行条件及其气动性能需求，设定目标内侧厚翼型的稳健优化目标函数F，其中，目标内侧厚翼型在风力机叶片展向适用位置处的运行条件，包括目标内侧厚翼型在切入切出风速之间的运行攻角范围、运行雷诺数范围；所述稳健优化目标函数F，至少将大攻角内基本升力特征参数以及升力特征随雷诺数变化的统计特征参数作为优化目标参数，其中，所述大攻角内基本升力特征参数，至少包括表征翼形大攻角下整体升力系数水平的目标升力系数Cl,obj以及大攻角下升力系数的平均变化率Scl；所述升力特征随雷诺数变化的统计特征参数，至少包括最大升力系数cl,max和失速特征参数Mstallx随雷诺数变化的均值μ(Cl,max)、μ(Mstallx)及标准方差σ(Cl,max)、σ(Mstallx)，所述失速特征参数Mstallx为失速后8°攻角范围内翼型升力系数变化量与升力系数随着攻角平均变化率乘积的最大值，其表达式为：式中，α、αstall分别为气流攻角、失速攻角，Cl为气流攻角α下的升力系数，cl,max为最大升力系数；根据目标内侧厚翼型的设计需求侧重分别分配各项优化目标参数的权重系数w，根据量级大小分别确定各项优化目标参数的归一化尺度因子s，根据在优化过程中增减的期望分别确定各项优化目标参数的期望系数e，所述稳健优化目标函数F的表达式为F＝∑eiwisifi，其中，fi为各项优化目标参数，ei为各项优化目标参数的期望系数，wi为各项优化目标参数的权重系数，si为各项优化目标参数的归一化尺度因子；SS2.设定目标内侧厚翼型的几何设计变量及几何设计空间：根据目标内侧厚翼型的设定最大相对厚度，选择一与所述设定最大相对厚度基本相同的翼形作为初始翼型；以翼型的几何特征参数作为目标内侧厚翼型的几何设计变量，所述几何设计变量至少包括翼形的最大相对厚度位置Xt、最大相对弯度Cam、最大相对弯度位置Xcam、前缘半径Rle、尾缘厚度Ttr，根据初始翼型的几何特征与结构兼容性要求，设定各所述几何设计变量的上下界并将其作为目标内侧厚翼型的几何设计空间；SS3.设定随机性设计条件：将入流雷诺数作为随机性设计条件，根据目标内侧厚翼型所处叶片展向位置处的运行雷诺数范围，确定作为随机性因子的入流雷诺数的基准值及其上下变化不确定性区间；对入流雷诺数在所述不确定性区间内进行随机性抽样，将其作为目标内侧厚翼型设计过程中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李星星，宋娟娟，张磊，杨科，
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