基于压力梯度分布的风力机翼型族气动设计方法及翼型族技术

本发明专利技术提供一种基于压力梯度分布的风力机翼型族气动设计方法及翼型族，方法包括：确定基准翼型；确定需要设计的风力机翼型族中每个风力机翼型的目标几何参数以及设计空间；从压力梯度分布出发构建设计过程中目标函数的计算方程；采用试验设计方法在给定设计空间内随机抽样产生初始样本点；基于样本数据建立目标函数的代理模型，在代理模型上开展子优化并采用自适应加点技术产生新样本点，根据新样本点产生新翼型并求出该翼型设计目标函数值并添加到样本数据中，重复这一过程直至收敛。通过本发明专利技术，可以从一个基准翼型出发设计出多个相对厚度不同并且拥有良好气动和几何兼容性的风力机翼型并形成风力机翼型族，提高了风力机翼型族的设计效率。机翼型族的设计效率。机翼型族的设计效率。

【技术实现步骤摘要】
基于压力梯度分布的风力机翼型族气动设计方法及翼型族


[0001]本专利技术属于飞行器设计
，具体涉及一种基于压力梯度分布的风力机翼型族气动设计方法及翼型族。

技术介绍

[0002]21世纪，随着化石能源等不可再生能源的逐渐减少以及人们对环境保护的愈发重视，如风能，太阳能和潮汐能等可再生新能源得到了大量的研究与长足的发展。其中，风能凭借其储量大，开发成本低，可靠性高等特点成为了可再生能源中重要的组成部分，而风力机作为将风能转化为电能的主要工具，其重要性不言而喻。风力机叶片作为风力机的核心部件，其性能决定了风力发电机的风能利用效率、载荷特性、噪声水平等。而翼型作为构成风力机叶片的单元，是叶片设计的技术基础和核心技术，是决定叶片性能的最重要因素。因此，高性能风力机翼型设计对于提高叶片风能捕获能力、降低叶片系统载荷和重量有着重要意义。
[0003]与航空翼型相似，风力机翼型设计方法主要有人机对话修形设计，反设计和优化设计三种方法。其中人机对话修形设计依靠设计者的经验对翼型进行修形，再进行CFD计算获得翼型的气动特性，直至获得满足所需气动性能的翼型。反设计方法是指按给定翼型表面压力分布作为目标压力分布设计翼型几何外形的方法。优化设计方法是以气动特性为目标函数，如阻力系数或升阻比，并施加气动或几何约束条件，使用优化算法直接求解目标函数的最大或最小值来获得相对应的几何外形。一般而言，基于CFD的数值优化方法一般分为三类：梯度式优化方法，启发式优化方法以及基于代理模型的优化方法。目前这三种优化方法目前均已在风力机翼型设计领域得到广泛应用。然而，对于同一风力机翼型族下不同厚度的翼型而言，其相互之间的气动和几何兼容性决定了整个风力机叶片的气动性能。因此在进行风力机翼型族设计的时候必须保证不同厚度翼型之间具有相同的最大厚度位置，相同的几何和压力分布外形等特性。而当前的风力机翼型优化设计大都针对单个翼型展开，缺少针对风力机翼型族的优化设计方法，现有的多个常用的风力机翼型族中所包含翼型的气动与几何兼容性水平也参差不齐，容易导致风力机叶片运行过程中出现载荷不均匀的问题，继而导致事故。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种基于压力梯度分布的风力机翼型族气动设计方法及翼型族，可有效解决上述问题。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]本专利技术提供一种基于压力梯度分布的风力机翼型族气动设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，确定需要进行设计的风力机翼型族主翼型作为基准翼型；确定设计状态、翼型表面设计区域、需要设计的风力机翼型族包括的风力机翼型数量、以及每个风力机翼
型的目标几何参数，包括：相对厚度、最大厚度位置以及后缘厚度；
[0008]步骤2，采用CFD方法计算在设计状态下基准翼型在翼型表面设计区域的压力分布；根据基准翼型的压力分布，采用差分方法得到基准翼型的压力梯度分布，将基准翼型的压力梯度分布作为目标压力梯度分布；
[0009]步骤3，采用CST参数化方法对基准翼型进行最小二乘拟合，得到代表翼型几何外形的n个外形参数，分别表示为：A1,A2,...,A
n
；
[0010]步骤4，分别确定n个外形参数A1,A2,...,A
n
中每个外形参数的扰动幅度，从而得到设计空间；
[0011]步骤5，对于风力机翼型族中需要设计的具有不同相对厚度的多个风力机翼型，设定不同的目标几何参数并采用步骤5.1
‑
步骤5.6的方法分别开展设计：
[0012]步骤5.1，在步骤4确定的设计空间内，对每个外形参数在设计空间内进行随机抽样，从而得到n个外形参数的值并形成一个样本点，单个样本点的外形参数的值分别表示为：A
01
,A
02
,...,A
0n
；随后随机抽样获得多个样本点，样本点个数由外形参数的数量决定；
[0013]步骤5.2，根据样本点生成对应的当前翼型；
[0014]步骤5.3，采用CFD方法计算在设计状态下当前翼型在翼型表面设计区域的压力分布；根据当前翼型的压力分布，采用差分方法得到其压力梯度分布；
[0015]具体的，在当前翼型的翼型表面设计区域按顺序选取m个翼面点；对于第i个翼面点，i＝1,2,...,m，得到其压力系数为C
p,i
；根据下式，得到其压力梯度grad(C
p,i
)：
[0016][0017]其中：
[0018]C
p,i+1
和C
p,i
‑1分别为第i+1个翼面点和第i
‑
1个翼面点的压力系数；
[0019]x
i+1
和x
i
‑1分别为第i+1个翼面点和第i
‑
1个翼面点的表面横坐标；
[0020]步骤5.4，构造当前翼型目标函数obj的计算方程：
[0021][0022][0023]ω1+ω2+ω3+ω4＝1
[0024]其中：
[0025]grad(C
p,i
)代表当前翼型在翼型表面设计区域中第i个翼面点的压力梯度；
[0026]grad(C
p_target,i
)代表基准翼型在翼型表面设计区域中第i个翼面点的压力梯度，作为当前翼型优化设计的目标压力梯度；
[0027]代表：在翼型表面设计区域，当前翼型翼面点的压力梯度与目标压力梯度偏差的平方和；
[0028]thx代表当前翼型的相对厚度；
[0029]trail_thx代表当前翼型的后缘厚度；
[0030]h_thx代表当前翼型的最大厚度位置；
[0031]h_thx
target
代表本次设计中风力机翼型的最大厚度位置目标值，为给定值；
[0032]thx
target
代表本次设计中风力机翼型的相对厚度目标值，为给定值；
[0033]trail_thx
target
代表本次设计中风力机翼型的后缘厚度目标值，为给定值；
[0034]步骤5.5，将当前翼型的相关参数代入当前翼型目标函数obj的计算方程，得到当前翼型的目标函数值；
[0035]步骤5.6，基于已有样本点与相对应的目标函数值，建立目标函数的代理模型，在代理模型上开展子优化并采用自适应加点技术在原有样本点的基础上产生新样本点；然后返回步骤5.2，如此不断循环，直到收敛，此时的当前翼型即为最终设计的风力机翼型，其相对厚度、最大厚度位置以及后缘厚度符合设计目标，并且，其与基准翼型在翼型表面设计区域内的压力梯度相同，压力分布形态相同；
[0036]步骤6，通过步骤5，通过给定不同的最大厚度位置目标值，相对厚度目标值和后缘厚度目标值，分别设计得到不同相对厚度的风力机翼型并最终形成风力机翼型族；
[0037]该风力机翼型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压力梯度分布的风力机翼型族气动设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定需要进行设计的风力机翼型族主翼型作为基准翼型；确定设计状态、翼型表面设计区域、需要设计的风力机翼型族信息包括的风力机翼型数量、以及风力机翼型族内每个风力机翼型的目标几何参数，包括：相对厚度、最大厚度位置以及后缘厚度；步骤2，采用CFD方法计算在设计状态下基准翼型在翼型表面设计区域的压力分布；根据基准翼型的压力分布，采用差分方法得到基准翼型的压力梯度分布，将基准翼型的压力梯度分布作为目标压力梯度分布；步骤3，采用CST参数化方法对基准翼型进行最小二乘拟合，得到代表翼型几何外形的n个外形参数，分别表示为：A1,A2,...,A
n
；步骤4，分别确定n个外形参数A1,A2,...,A
n
中每个外形参数的扰动幅度，从而得到设计空间；步骤5，对于风力机翼型族中需要设计的具有不同相对厚度的多个风力机翼型，设定不同的目标几何参数并采用步骤5.1
‑
步骤5.6的方法分别开展设计：步骤5.1，在步骤4确定的设计空间内，对每个外形参数在设计空间内进行随机抽样，从而得到n个外形参数的值并形成一个样本点，单个样本点的外形参数的值分别表示为：A
01
,A
02
,...,A
0n
；随后随机抽样获得多个样本点，样本点个数由外形参数的数量决定；步骤5.2，根据样本点生成对应的当前翼型；步骤5.3，采用CFD方法计算在设计状态下当前翼型在翼型表面设计区域的压力分布；根据当前翼型的压力分布，采用差分方法得到其压力梯度分布；具体的，在当前翼型的翼型表面设计区域按顺序选取m个翼面点；对于第i个翼面点，i＝1,2,...,m，得到其压力系数为C
p,i
；根据下式，得到其压力梯度grad(C
p,i
)：其中：C
p,i+1
和C
p,i
‑1分别为第i+1个翼面点和第i
‑
1个翼面点的压力系数；x
i+1
和x
i
‑1分别为第i+1个翼面点和第i
‑
1个翼面点的表面横坐标；步骤5.4，构造当前翼型目标函数obj的计算方程：步骤5.4，构造当前翼型目标函数obj的计算方程：ω1+ω2+ω3+ω4＝1其中：grad(C
p,i
)代表当前翼型在翼型表面设计区域中第i个翼面点的压力梯度；grad(C
p_target,i
)代表基准翼型在翼型表面设计区域中第i个翼面点的压力梯度，作为当前翼型优化设计的目标压力梯度；
代表：在翼型表面设计区域，当前翼型翼面点的压力梯度与目标压力梯度偏差的平方和；thx代表当前翼型的相对厚度；trail_thx代表当前翼型的后缘厚度；h_thx代表当前翼型的最大厚度位置；h_thx
target
代表本次设计中风力机翼型的最大厚度位置目标值，为给定值；thx
target
代表本次设计中风力机翼型的相对厚度目标值，为给定值；trail_thx
target
代表本次设计中风力机翼型的后缘厚度目标值，为给定值；步骤5.5，将当前翼型的相关参数代入当前翼型目标函数obj的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑可风，宋文萍，聂晗，韩忠华，许建华，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：