基于径向基函数模型的风力机翼型多目标优化设计

针对目前大型风力机翼型综合气动性能的优化需求,建立了多运行工况下的翼型优化设计方法。该方法利用最优拉丁超立方法设计样本,采用解析函数线性叠加法表征翼型外形,建立径向基函数模型代替复杂且耗时的CFD气动分析模型,利用多目标粒子群优化算法对该模型进行多点优化设计,以获取综合气动性能更佳的风力机专用翼型。利用上述方法对风力机常用翼型NACA4418进行优化,结果表明:新翼型在各运行工况下,升力系数和升阻比均有所提高,该优化方法可提高优化效率,改善翼型的气动特性,具有一定的工程实用价值。     

神经网络在风力机翼型气动性能优化中的应用

针对风力机翼型优化计算量大的问题,提出了一种基于计算流体力学和神经网络气动性能近似计算的翼型优化方法。首先根据茹科夫斯基翼型理论构造了翼型参数化表达方法,以多工况条件下的翼型气动性能为目标函数,选取翼型表达式中的12个参数为设计变量,建立了翼型气动性能优化模型。然后用优化拉丁方采样方法获得翼型样本设计空间,通过计算流体力学方法获取每个样本的气动性能,利用神经网络对样本集进行非线性拟合,构建神经网络翼型气动性能近似计算模型。遗传算法在寻优时,用近似计算模型代替耗时的流场计算,最终得到最优解。并通过此方法对FFAW3-301翼型进行优化,优化后翼型具有更佳的气动性能,优化结果表明此优化方法具有可行性。     

基于CFD技术的风机翼型多目标优化设计

以轴流风机翼型为研究对象,基于CFD技术,建立了一套多目标优化设计系统,对翼型进行优化以提高其气动性能。借鉴船舶设计行业的SBD技术,通过Isight平台集成CFD软件及NSGA-II优化算法,采用改进后的Hicks-Henne型函数法为优化翼型参数化方法。对标准翼型NACA0024进行了多目标优化设计,结果显示,翼型的气动性能有了显著提升,三个工况点的加权升力系数提升了19.1%,加权升阻比系数提升了16.9%。由此证明了该多目标优化方法是可行的,为今后风机性能的改进打下了基础。     

可逆地铁风机用翼型优化设计与验证

作为叶片设计的基本组成单元,可逆翼型的选取对整机性能的影响起着重要的作用。以性能较好的R18可逆翼型作为初始翼型,通过翼型优化方法得到一款优化翼型。利用Numeca软件对R18翼型构建的叶片进行气动性能计算并与标准风机试验台的数据进行比对,验证该数值方法的可靠性。在此基础上采用两种翼型构建两种叶片模型并用Numeca软件计算气动性能,以此对翼型优化的设计效果作出评价。研究结果表明：在设计攻角范围内,优化翼型的升阻力特性均高于R18翼型;且在设计工况范围内,优化翼型设计出的风机全压提升5.43%,效率提升0.905%。表明该翼型优化设计方法确能提高设计出的可逆地铁风机气动性能。     

低雷诺数旋翼翼型气动性能多目标优化

根据旋翼在低雷诺数下的气动特点,发展了一种基于遗传算法的低雷诺数旋翼翼型多目标优化设计方法。采用Hicks-Henne函数对翼型进行参数化处理。根据实际工况,建立旋翼翼型气动优化的数学模型。使用遗传算子与目标函数自适应方法,解决了翼型集在优化后期无法持续优化的问题。以NACA0012作为优化基准翼型,在满足预定约束的情况下,优化后的翼型相比基准翼型气动性能有较大幅度提高,符合预定的优化目标。     

风力机翼型气动噪声优化设计研究

为获得高升阻比、低噪声水平的风力机翼型,将气动噪声引入到风力机专用翼型的设计中.为评价翼型气动噪声水平,对翼型自身噪声进行讨论和研究,应用NASA基于大量试验而得到的翼型自身噪声模型进行建模.采用型函数扰动法对翼型廓线进行表示,以翼型自身噪声水平作为优化目标,将气动特性作为性能约束,建立翼型的优化设计模型.设计过程中,采用XFOIL获取翼型边界层参数,及对翼型的气动性能进行评价.将流场求解程序和直接优化方法相结合,采用复合形法进行搜索寻优,用Matlab编制优化程序.以NACA4415作为原始翼型进行优化设计,得到一种具有高气动性能、低噪声水平的风力机专用翼型.     

基于多点驱动式柔性机构的变形翼后缘拓扑优化

机翼翼型由特定飞行条件设计获得,其在各工况下的气动效率皆优问题亟待解决。研究变形翼柔性后缘机构,使其在连续光滑变形前提下,最大程度满足气动最优所需变形范围。采用变密度法拓扑优化方法,以某翼型实际位移与目标位移之间的最小平方差为优化目标函数,通过遗传算法优化确定柔性后缘多点驱动载荷作用位置,建立柔性后缘综合优化模型并采用移动渐近法求解。最后应用Ansys软件仿真对优化设计结果进行检验,表明该变形翼柔性后缘能够实现要求的连续变形,验证了优化设计方法的有效性。     

基于遗传算法的翼型性能优化

采用Hicks-Hence函数构建翼型,利用FLUENT软件对翼型的气动性能和噪声水平进行计算,并根据均匀设计试验方法,利用偏最小二乘回归法进行数据统计分析,构建多项式响应面模型;以翼型升阻比和噪声水平为目标函数,采用遗传算法对翼型性能进行优化设计,得到优化翼型;将优化翼型与基准翼型的性能进行了对比,结果表明,优化翼型的升阻比提高,噪声水平下降,优化效果明显.     

基于MIGA算法的完全对称翼型优化设计方法研究

提出了一种利用6控制点5阶Bezier多项式对完全对称翼型进行表达的参数化设计方法，并通过6个无量纲的横纵坐标控制系数和翼型最大相对厚度控制翼型型线。采用Fortran语言编写翼型参数化设计程序代码，并与ICEM网格划分和Fluent流场仿真一起集成到Isight自动优化平台，利用多岛遗传算法对相应的目标函数进行求解，实现了完全对称翼型的优化设计。以相对厚度为16%的椭圆翼型为参考，取4°、8°和12°为设计攻角，在Re=2.5×106的条件下，设计得到一款翼型A。与参考翼型对比结果显示，优化翼型A的型线接近菱形，其载荷在x/c∈(0.04,0.3)的区域减小，而在x/c∈(0.3,0.96)的区域增加，沿弦线方向载荷分布更加均衡。此外，在设计攻角下，优化翼型A的升阻比分别增加了28.56%和17.64%，在非设计攻角下，其气动性能也得到显著提升，印证了构建的优化设计方法的可靠性，为其他复杂可逆翼型的优化设计奠定了良好的理论基础。     

基于遗传算法的轴流式水轮机叶片优化设计

选取某轴流式转轮叶片作为优化设计的对象，以轴流式转轮叶片的形状参数为优化变量，在参数化实施中，用Bezier曲线参数化叶片翼型骨线，然后将导叶直接加到初始叶片进口前的流道上，保证了实际流动中转轮来流的真实条件。该方法结合了全三维反问题方法对有厚度叶片计算的准确性，以及遗传算法对解决多目标优化问题全局搜索的准确性，可以得到比较理想的转轮叶片。     

Design optimization of wind turbine blades for reduction of airfoil self-noise

To reduce airfoil self-noise from a 10 kW wind turbine, we modified the airfoil shape and planform of a wind turbine blade. To obtain the optimal blade design, we used optimization techniques based on genetic algorithms. The optimized airfoil was first determined based on a section of the rotor blade, and then the optimized blade was designed with this airfoil. The airfoil self-noise from the rotor blades was predicted by using a semi-empirical model. The numerical analysis indicates that the level of the airfoil self-noise from the optimized blade is 2.3 dB lower than that from the baseline blade at the rated wind speed. A wind tunnel experiment was also performed to validate the design optimization. The baseline and optimized rotors were scaled down by a factor of 5.71 for the wind tunnel test. The experimental results showed that airfoil self-noise is reduced by up to 2.6 dB.     

基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

随着风力机向大型化发展,为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度,将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型,通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合,使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL PhaseVI叶片截面的S809翼型,建模得到两种三维风力机叶片,采用数值模拟的方法,对这两种叶片不同风速下的流场进行分析,并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明,在额定风速附近,采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能,在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。     

复合新翼型风力机叶片的气动设计及建模

基于Wilson法,用美国可再生能源实验室开发的S系列新翼型S833、S834、S835和三者的组合翼型来设计叶片,不同翼型连接处采用MATLAB程序语言的样条差值和曲线拟合法进行过渡修正,以满足气动连续性要求。在叶片设计基础上,分别计算了单翼型和复合翼型叶片的气动性能;利用有限元分析软件ANSYS建立了风轮的三维实体模型。结果表明:复合翼型叶片在较宽尖速比范围内比其它几种单翼型叶片的功率系数大,利用ANSYS软件建立的风轮实体三维模型,为风轮的结构动态及载荷等问题的进一步分析提供了技术基础。     

基于响应面法的风力机翼型气动优化设计

以某风力机翼型为研究对象,选择其设计点升阻比作为优化目标,采用基于均匀设计的响应面法对其进行气动优化设计。首先用B样条曲线对该翼型拟合并求其控制点,然后利用均匀试验设计方法建立计算试验样本点分布表并进行各样本点的CFD计算,最后建立响应面模型,进行优化设计,使设计点升阻比提高12.13%,而且在所有攻角下升力和升阻比都有所提高。算例表明,本文进行风力机翼型优化的方法节省时间,优化效果明显。     

低噪声风力机叶片气动外形优化设计

针对目前兆瓦级风力机叶片噪声污染问题,基于动量叶素理论及叶片噪声计算模型,提出在给定工况条件下,以功率系数与噪声的最大比值为目标函数,以影响叶片气动噪声性能的弦长及扭角为设计变量,建立了低噪声风力机叶片优化设计数学模型。对某实际2.3MW风力机叶片进行优化设计,并与噪声实验数据对比,结果表明：在主要频率域范围内,叶片噪声预测值与实验数据较吻合;相比原叶片,新叶片具有更低的噪声特性,噪声声压级降低了约7.1%,同时风轮功率系数略有增大,从而验证了该设计方法的可行性。     

钝尾缘风力机翼型气动性能计算分析

钝尾缘风力机翼型有较好的结构和气动性能,是目前多被用于大型风力机叶片靠近轮毂区域的选定翼型.但钝尾缘翼型也有缺点,易产生大的脱流涡,这会降低叶片的气动性能.为了更好地研究钝尾缘翼型的性能,以了解其气动性能的降低能否与其结构性能的优化相匹配.采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,对薄尾缘翼型S809和改进的钝尾缘翼型S809-100的性能进行模拟和对比,结果表明相对于薄尾缘翼型,钝尾缘翼型可以增大断面的最大升力系数和升力曲线斜率,并可以降低翼型污染对翼型升力影响的敏感度.     

粗糙度对风力机专用翼型气动性能影响

针对风力机专用翼型FFA-W3-211进行数值模拟,深入系统探讨了粗糙度对该翼型气动性能的影响。采用剪切应力输运k-omega湍流模型进行CFD计算;于翼型表面均匀分布不同粗糙度,求出该翼型敏感粗糙度;同时,研究了在该翼型吸力面和压力面不同位置布置敏感粗糙度时,粗糙带位置对翼型升力系数和阻力系数的影响,分别求出吸力面和压力面的敏感粗糙带位置,与软件XFOIL算出转捩点位置进行对比,分析粗糙度对该翼型气动性能的影响。计算结果对风力机专用翼型的设计与开发具有一定的理论价值。     

小型风力发电机叶片设计与制造的研究

叶片是风力发电机(简称风机)的关键部件,为了制造出优良的小型风机叶片,对小型风机叶片的设计、材料的选择以及模具制造进行了研究。根据当地风能资源的情况,风机的设计功率为300W。首先设计出风轮的基本尺寸,选择NACA4412翼型,经过计算和分析,确定叶片剖面翼型和具体尺寸;其次根据风机叶片的受力情况及其他要求,选择玻璃纤维增强复合材料制作叶片;然后运用CAD和CAM技术,设计了一套小型风机玻璃钢复合材料的叶片并制作了模具。为风机玻璃钢叶片进一步实现规模化生产奠定了良好的基础。     

水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟

为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性,利用计算流体力学软件FLUENT对水平轴风力机叶片常用翼型FFA-W3-211,FFA-W3-301和NACA63-215进行了数值模拟,并与试验数据进行对比和分析,验证数值模拟的可靠性。有利于了解风力机翼型的气动性能,为风力机叶片翼型选型和叶片翼型设计和研发提供重要依据。     

钝尾缘翼型对5MW风力机性能影响的研究

目前国内外对钝尾缘翼型的研究主要集中于翼型的改进方式与二维气动性能的模拟,对钝尾缘翼型应用于风力机时对其性能影响的研究较少,然而钝尾缘翼型应用于风力机时由于旋转效应的存在叶素翼型之间会发生相互影响。为了更好的研究钝尾缘翼型,了解钝尾缘翼型对风力机性能的影响,对NREL 5MW风力机叶片内侧翼型进行对称钝尾缘修型,分析二维翼型气动性能,发现一定范围内,翼型的升力系数、升阻比均随尾缘厚度的增加而增大。对原风力机进翼型替换,模拟并对比两类风力机的性能,研究表明改型后风力机的输出扭矩高于原机,而且随风速增大改型风力机的优势变得越来越突出;然而在相同工况下,改型后风力机的轴向力也大于原机。