基于尾緣改型理論的風(fēng)力機(jī)專用翼型和葉片設(shè)計(jì)及仿真理論研究.pdf

1、在各種可再生能源中,風(fēng)能最有開發(fā)價(jià)值。風(fēng)輪葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最核心、最基礎(chǔ)的部件,而葉片的截面翼型形狀是葉片中最基礎(chǔ)也最重要的幾何特征,是決定風(fēng)力機(jī)功率特性和載荷特性的根本因素。所以從影響風(fēng)力機(jī)葉片及翼型空氣動力學(xué)性能的物理本質(zhì)出發(fā),對風(fēng)力機(jī)葉片及其翼型展開原創(chuàng)性的研究工作,設(shè)計(jì)出適用于風(fēng)力機(jī)的綜合性能優(yōu)異的翼型和葉片,就顯得尤為必要。
　　 在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號:50775227)和重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號:C

2、STC,2008BC3029)資助下,本文提出了“基于尾緣改型理論的風(fēng)力機(jī)專用翼型和葉片設(shè)計(jì)及仿真理論研究”的研究課題。研究中針對風(fēng)力機(jī)葉片的關(guān)鍵幾何因素-翼型,提出一種混合式尾緣改型方法,以對現(xiàn)有的翼型表達(dá)方法進(jìn)行參數(shù)化再設(shè)計(jì),改善了原有的保角變換翼型泛函集成理論,克服了原有泛函集成方法無法對翼型尾緣附近形狀進(jìn)行有效控制的缺陷;綜合考慮影響風(fēng)力機(jī)翼型及葉片形狀設(shè)計(jì)的多學(xué)科復(fù)雜耦合關(guān)系,探討各個(gè)學(xué)科對風(fēng)力機(jī)葉片翼型廓線的要求和影響規(guī)律;

3、研究了多目標(biāo)優(yōu)化算法的運(yùn)行機(jī)理,提出了一種加入了平衡算子的NSGAⅡ(Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGAⅡ)非支配排序多目標(biāo)遺傳算法作為設(shè)計(jì)工具,全面考慮各種工況下各種氣動性能的耦合效應(yīng),使得翼型的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠在全局解空間中更好的向擁有更高綜合氣動性能的個(gè)體發(fā)展。設(shè)計(jì)得到了一系列綜合性能優(yōu)異的風(fēng)力機(jī)專用翼型,并使用這些翼型設(shè)計(jì)了大型、小型兩組風(fēng)力機(jī)葉片。針對現(xiàn)有的通用的計(jì)算流體力學(xué)軟

4、件的特點(diǎn),研究了適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)這一特定工程問題的數(shù)值仿真理論,對實(shí)驗(yàn)翼型和葉片進(jìn)行了模擬仿真,對仿真結(jié)果進(jìn)行了詳盡的分析,細(xì)化的研究了風(fēng)力機(jī)葉片及翼型在運(yùn)行過程中的氣動流場特性,壓力分布特性等物理本質(zhì),通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比證明仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為符合,驗(yàn)證了本文所采用的仿真手段的有效性。對所設(shè)計(jì)的翼型和葉片進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果表明,使用了本文設(shè)計(jì)翼型的風(fēng)力機(jī)葉片較實(shí)驗(yàn)葉片有更高的功率特性。論文完成的主要研究工作和取得的研究成果主

5、要有:
　　 ①針對現(xiàn)有翼型集成方法的不足,提出了一種混合式尾緣改型方法,該方法有效的克服了現(xiàn)有翼型集成方法無法針對翼型尾緣形狀進(jìn)行有效控制的缺陷。通過結(jié)合混合式尾緣改型方法和保角變換翼型泛函集成理論,形成了一種新的翼型參數(shù)化集成方法。通過分析這種新的集成方法與其他幾種集成方法所設(shè)計(jì)的翼型的氣動參數(shù),證明了該方法控制翼型形狀的全面性和有效性。
　　 ②針對現(xiàn)有的非支配排序遺傳算法NSGAⅡ的不足,提出了一種加入了平衡算子

6、的NSGAⅡ多目標(biāo)遺傳算法,克服了原NSGAⅡ算法在非劣最優(yōu)解中容易保持有大量單目標(biāo)出色,而其他目標(biāo)較差的個(gè)體,重復(fù)計(jì)算量大等缺點(diǎn),使得群體中各項(xiàng)性能較為平衡的個(gè)體有更大的概率參與遺傳操作,從而降低極端個(gè)體在算法中的適應(yīng)度值,使算法尋優(yōu)的過程更加順利,為風(fēng)力機(jī)專用翼型族的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　 ③以結(jié)合了混合式尾緣改型方法和保角變換翼型泛函集成理論的翼型參數(shù)化集成方法為基礎(chǔ),使用加入了平衡算子的NSGAⅡ遺傳算法為工具,面向

7、多個(gè)氣動性能指標(biāo),建立了風(fēng)力機(jī)專用翼型的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,突破了原有設(shè)計(jì)理論單一目標(biāo),串行化設(shè)計(jì)的限制,優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了一系列綜合性能優(yōu)異的風(fēng)力機(jī)專用翼型。在相同雷諾數(shù)和相對厚度下,對優(yōu)化翼型和工業(yè)中的現(xiàn)有翼型進(jìn)行了性能計(jì)算比較,驗(yàn)證了本研究所提出的風(fēng)力機(jī)專用翼型多目標(biāo)設(shè)計(jì)理論和方法的有效性,為設(shè)計(jì)氣動性能全面的高效率風(fēng)力機(jī)葉片翼型奠定了良好的基礎(chǔ),拓寬了設(shè)計(jì)的思路。
　　 ④進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT中湍流模型對風(fēng)力機(jī)氣動性

8、能分析適應(yīng)性研究,通過對一個(gè)二維實(shí)驗(yàn)翼型使用三種湍流模型進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到翼型的各種氣動性能參數(shù)。將三種計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較,確定了k-ω SST湍流模型作為風(fēng)力機(jī)氣動性能仿真計(jì)算的湍流模型。并對設(shè)計(jì)所得翼型進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬,探討了翼型隨著攻角變化的流場特性。
　　 ⑤研究了三維風(fēng)輪實(shí)體模型的外部流場域的網(wǎng)格劃分方法和復(fù)雜三維模型氣動問題的數(shù)值模擬收斂性及精確度控制方法。對一個(gè)三維風(fēng)輪實(shí)體模型在多個(gè)工況下進(jìn)行了模擬

9、仿真。對計(jì)算得到的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,對仿真結(jié)果的流場進(jìn)行了詳細(xì)的分析,揭示了風(fēng)力機(jī)葉片及翼型在運(yùn)行過程中的氣動流場特性,壓力分布特性等物理本質(zhì),驗(yàn)證了本章所建立的數(shù)值模擬方法的適用性與準(zhǔn)確性。
　　 ⑥使用本研究所設(shè)計(jì)的CS-SS小型風(fēng)力機(jī)翼型族及CQU-TUS系列翼型設(shè)計(jì)了小型、大型兩種風(fēng)輪并使用與上述實(shí)驗(yàn)風(fēng)輪相同的方法進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分及仿真分析,仿真結(jié)果表明:設(shè)計(jì)風(fēng)輪較之試驗(yàn)風(fēng)輪及NREL風(fēng)輪有更高的氣動性能