一种融合翼型风洞实验数据的湍流模型参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种融合翼型风洞实验数据的湍流模型参数优化方法，包括1）在风洞试验段安装支撑平台，并固定在风洞下表面；2）在平台上层安装翼型段；3）设备安全性检查；4）启动风洞，调节入流风速和翼型的攻角；5）采集翼型段的静态压力数据；6）建立翼型模型，绘制网格；7）获取湍流模型参数的随机样本群，进行数值模拟计算；8）结合实验数据和样本结果，利用集合卡尔曼滤波算法，获取优化参数；9）验证优化参数效果。本发明专利技术可以将风洞实验测量数据融合进入数值模拟当中，使用同化算法修正和优化湍流模型参数，提高数值模拟方法模拟翼型失速工况时的准确性。的准确性。的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种融合翼型风洞实验数据的湍流模型参数优化方法


[0001]本专利技术涉及一种针对湍流模型参数的优化方法，特别涉及一种融合翼型风洞实验数据的湍流模型参数优化方法。

技术介绍

[0002]能源是人类文明进步的基础和动力，攸关国计民生和国家安全，关系人类生存和发展，也是经济社会发展的前提条件。现代社会对能源的需求日益增大，但是传统化石能源的日益枯竭和其带来的对环境的污染和破坏，使得可再生能源的开发和利用成为新的发展热潮。在诸多新能源的形式中，风能具有储量大，分布广的特点，开发潜力巨大。
[0003]风力发电是利用风能的主要形式，风力发电机组则是最有效的风电转换装置。风力机的叶片是吸收风能的核心部分，作为叶片基本单元的翼型，其气动特性影响风电机组对风能的吸收效率。对翼型的设计和气动特性分析的方式主要分为实验和数值模拟这两种。其中实验方式多为风洞实验，对环境条件的控制比较精准，但是测量的空间和雷诺数范围受到多方面因素的制约。数值模拟方面，高精确度的大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)需要高分辨率的网格，计算成本大；传统的雷诺时均(RANS)方法基于半经验半理论的模型方程，虽然对网格的要求不高，但是模拟复杂流场时的精确度比较差。除此之外，数值计算还需要给定在实际情况中难以确定的准确的初始条件和边界条件。
[0004]风力发电机组在实际运行过程中，叶片经常处于失速状态，翼型上表面出现较大范围的气流分离。在这种复杂流动情况下，和较为可靠的实验测量结果相比，RANS湍流模型对翼型表面流动模拟的结果误差较大，可信度很低。造成这一结果的一个重要因素在于RANS湍流模型的默认模型参数在一些典型流场中标定得来的，不适用于特定的流场。因此，通过某种方法来修正和优化湍流模型参数可以提高RANS湍流模型对翼型流场模拟的精确度，减小误差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术缺陷，提供一种融合翼型风洞实验数据的湍流模型参数优化方法，可以通过修正和优化RANS湍流模型的默认模型参数，提高湍流模型对失速后翼型表面流场的模拟的精确度，获得更加准确的表面压力分布和尾流发展变化情况。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：一种融合翼型风洞实验数据的湍流模型参数优化方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1)风洞试验段中心设置有部分可旋转壁面，在可旋转壁面上安装支撑平台，平台底层设有四个螺纹孔，和风洞壁面的预留孔对应，利用螺栓和螺帽连接支撑平台的下层，将平台固定在此可旋转的风洞壁面上；支撑平台上层留有和翼型段连接固定的两个螺纹孔，两孔连线与侧边平行，保证连接翼型段时迎风角度为零度；
[0008]步骤2)在风洞试验段放置翼型段，翼型段内部中空，并且中截面附近布置有多个测压孔，通过毛细钢管和塑胶软管连接到压力扫描阀；翼型段下端面的前后位置各有一孔，
两孔都位于翼型弦线上，与支撑平台的上层两螺栓孔对应，保证连接到支撑平台后迎风角度为零，利用螺栓将翼型段下端面固定在支撑平台的上方；
[0009]步骤3)设备安全性检查包括：连接风洞壁面和支撑平台底部的螺栓是否拧紧；连接翼型段和支撑平台上层的螺栓是否拧紧；检查翼型段表面的测压孔是否正确连接到压力扫描阀，毛细钢管和塑胶软管是否通畅无堵塞；风洞试验段内部是否保持清洁；
[0010]步骤4)调节控制风洞试验段中心区域旋转的伺服电机，确定翼型段的攻角，启动风洞，调节风洞主机的电机频率以获得需要的稳定入流风速；
[0011]步骤5)采集数据，获取翼型段表面的静态压力数据，将从翼型表面测压孔测得的压力以压力系数的形式表示，并作时间平均，作为实验观测数据，加入优化框架中；
[0012]步骤6)参照试验所用翼型段建立几何模型，导入网格绘制软件，生成可用于数值计算的二维网格；
[0013]步骤7)采用拉丁超立方抽样方法，以湍流模型的默认参数组为基准，在一定的百分比范围内生成一定数量的随机湍流模型参数组的样本；在网格计算软件中按照生成的随机参数组和试验对应的工况设置初始条件和边界条件，计算求解每个样本对应的翼型表面压力系数；
[0014]步骤8)结合样本计算的翼型表面压力系数结果和作为参考值的实验测量结果，利用集合卡尔曼滤波算法，对样本群体进行迭代，获取优化后的湍流模型参数组；
[0015]步骤9)以优化后的湍流模型参数组替换默认参数组，使用网格计算软件重新计算翼型表面的压力系数，并和实验值以及默认参数的计算值对比，分析优化效果；替换翼型，重复前述步骤2)至步骤6)，获取不同厚度的另两个翼型的实验压力系数数据以及对应的计算网格，将优化参数应用到不同厚度的另两个翼型，进一步分析优化效果。
[0016]作为本专利技术的进一步限定，步骤7)中所述湍流模型的默认参数组的扰动范围根据升力系数对湍流模型各参数的敏感度来确定；首先计算默认参数情况下升力系数和实验值的差值，记为ΔC
L
,然后在一定的范围内对模型参数进行正交试验，计算各参数在该范围内的升力系数增量各参数的扰动范围由式(1)确定。
[0017][0018]式中a为增益系数，确保扰动范围能够覆盖到试验升力系数对应的值，b表示进行正交试验时采用的扰动范围，α为各参数扰动范围的大小。
[0019]本专利技术采用以上技术方案，与现有技术方案相比，有益效果：本专利技术制造材料简单易得，搭建平台灵活方便，制造材料主要是树脂材料3D打印的支撑平板，平台和翼型段的安装拆卸方便，方便灵活；同时该方法根据升力系数对各个参数的敏感度设计初始样本，所以对样本集合的设计更加合理，数据处理和分析简单方便，可以较为快速的寻找到对应的优化参数；此外，使用该方法获得的优化参数针对轻失速工况时，不同厚度的翼型对象也能有较好的效果，都能降低模拟的表面压力系数分布的误差。
附图说明
[0020]图1本专利技术装置的轴测图。
[0021]图2本专利技术装置的俯视图。
[0022]图3本专利技术装置支撑平台的结构示意图。
[0023]图4本专利技术使用的翼型网格。
[0024]图5本专利技术参数优化方法的流程图。
[0025]图6本专利技术各翼型优化前后压力系数误差柱状图。
[0026]图7本专利技术翼型S809优化前后压力分布曲线对比图。
[0027]图8本专利技术翼型NACA63415优化前后压力分布曲线对比图。
[0028]图9本专利技术翼型DU97W300优化前后压力分布曲线对比图。
[0029]其中，1支撑平台，2翼型段，1
‑
1、1
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2、1
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3、1
‑
4固定平台用螺栓孔，1
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5、1
‑
6连接翼型段用螺栓孔，1
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7、1
‑
8支撑平台通孔，2
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1测压孔，2
‑
2、2
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3螺栓通孔，2
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4翼型段内部中空通道。
具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合翼型风洞实验数据的湍流模型参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)风洞试验段中心设置有部分可旋转壁面，在可旋转壁面上安装支撑平台，平台底层设有四个螺纹孔，和风洞壁面的预留孔对应，利用螺栓和螺帽连接支撑平台的下层，将平台固定在此可旋转的风洞壁面上；支撑平台上层留有和翼型段连接固定的两个螺纹孔，两孔连线与侧边平行，保证连接翼型段时迎风角度为零度；步骤2)在风洞试验段放置翼型段，翼型段内部中空，并且中截面附近布置有多个测压孔，通过毛细钢管和塑胶软管连接到压力扫描阀；翼型段下端面的前后位置各有一孔，两孔都位于翼型弦线上，与支撑平台的上层两螺栓孔对应，保证连接到支撑平台后迎风角度为零，利用螺栓将翼型段下端面固定在支撑平台的上方；步骤3)设备安全性检查包括：连接风洞壁面和支撑平台底部的螺栓是否拧紧；连接翼型段和支撑平台上层的螺栓是否拧紧；检查翼型段表面的测压孔是否正确连接到压力扫描阀，毛细钢管和塑胶软管是否通畅无堵塞；风洞试验段内部是否保持清洁；步骤4)调节控制风洞试验段中心区域旋转的伺服电机，确定翼型段的攻角，启动风洞，调节风洞主机的电机频率以获得需要的稳定入流风速；步骤5)采集数据，获取翼型段表面的静态压力数据，将从翼型表面测压孔测得的压力以压力系数的形式表示，并作时间平均，作为实验观测数据，加入优化框架中；步骤6)参照试验所用翼型段建立几何模型，导入网格绘制软件，生成可用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨华，孟令庭，杨俊伟，王相军，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：