模拟退火遗传算法在风力提水机翼型优化设计中的研究

为提高风力提水机翼型气动性能,根据已有的自适应模拟退火遗传算法思想,设计一种自适应模拟退火遗传算法(GASA),将其运用到风力提水及翼型优化设计中.该种自适应模拟退火遗传算法(GASA),能弥补使用传统遗传算法(GA)进行优化设计时出现的局部搜索精度不高的缺点,提高优化算法效率.该文给出了对风力提水机设计使用的小厚度翼...     

基于iSIGHT的风力机翼型优化设计平台

以实际风力机翼型族的优化设计为研究对象,通过在iSIGHT软件上集成计算流体力学(CFD)软件Fluent、数值求解软件Matlab以及自编变形网格生成软件,建立了针对风力机专用翼型的优化设计平台;该平台使用反设计优化方法,可以通过改变初始翼型的几何形状,进行流体力学分析,求解气动性能敏感导数的迭代过程,得到符合特定性能要求的翼型;通过RAE2822和S825翼型性能为目标的优化过程验证了该平台的有效性和准确性。该平台可用于实际风力机翼型族的优化设计。     

基于噪声的风力机翼型优化设计研究

基于翼型型线和噪声预测理论,提出以风力机设计运行攻角范围内平均效噪比为设计目标来指导翼型设计的新方法,并建立翼型的优化设计模型。选取相对厚度为21%的翼型进行了优化计算分析,得到了低噪声及高气动特性优化翼型的形状,通过与风力机专用翼型DU93-W-210和FFA-W3-211的性能比较以及风洞试验测试,很好的验证了该优化方法的通用性及实用性。     

基于泛函的风力机翼型形状优化设计研究

针对风力机翼型的形状曲线,基于广义泛函和保角变换理论,提出了具有集成和通用特性的翼型型线函数表征式。从该表征式出发,建立了翼型的优化设计模型。比起传统的反设计方法,提出了一种更为直接、高效的全新翼型优化设计方法,为风力机新型翼型的开发提供了新的思路。选取相对厚度为18%的翼型进行了优化计算分析,得出了优化翼型的形状及其气动特性,通过和风力机常用翼型Ris(?)系列以及NACA系列的性能比较,很好地验证了该优化方法的可行性和优化结果的优越性。     

基于低速预处理的风力机翼型外形优化设计

针对经典的S809翼型,耦合基于低速预处理的流场求解方法和序列二次规划方法,开展针对翼型升阻比的翼型气动外形优化设计研究。优化结果显示优化翼型具有较大的翼型前缘半径和较平坦的上表面。数值计算结果表明,优化翼型在设计点1的状态下升阻比提高43.3%,在设计点2的状态下升阻比提高48.9%。进一步数值验证表明,优化翼型在雷诺数为5.0×10⁵状态下的最大升力系数从S809翼型的1.140增大到1.297,在雷诺数为1.0×10⁶状态下的最大升力系数从1.236增大到1.418。在优化翼型的基础上,开展翼型气动外形人工修型研究,数值模拟表明修型翼型能更好地消除气流分离,从而进一步增大翼型升力系数、减小翼型阻力系数。     

平底后缘风力机翼型的优化设计

应用基于代理模型的优化方法对35%相对厚度、后缘安装隔板的平底后缘风力机翼型进行优化设计。基于雷诺平均Navier-Stokes方程,采用耦合γ-_(eθ)转捩模型的SST k-ω湍流模型,对平底后缘翼型绕流进行数值模拟得到翼型的气动性能。以翼型在大迎角下的升力系数和截面惯性矩为目标,阻力系数和力矩系数等为约束,对平底后缘翼型进行优化设计;结果表明,优化后翼型在满足约束条件的同时,迎角17°时,升力系数提高8.53%,最大升力系数较基准翼型提高3.13%,截面惯性矩较基准翼型提高7.84%。     

基于多目标遗传算法的风力机翼型形状优化

在风力机翼型型线形状优化设计中,提出了一种新的基于Joukowski保角变换的通用翼型型线表征形式.建立了翼型多目标形状优化设计的数学模型,应用改进的多目标遗传优化算法,设计得到了4种性能优越的风力机专用翼型.详细分析了WT180翼型的空气动力学特性,该翼型在设计工况和非设计工况下都具有良好的气动性能,具有较低的前缘粗糙度敏感性.与目前风力机常用翼型相比,新翼型在主要工作攻角范围内,光滑和粗糙条件下的升力系数更高,升阻比更大,其气动性能相比传统翼型表现出明显的提高.     

基于复合形法的垂直轴风力机翼型优化设计

针对低速航空翼型不完全适合垂直轴风力机的问题,采用复合形法对小型垂直轴风力机常用的NACA0015翼型进行了优化设计。在复合形法优化设计过程中,选取翼型的弯度和厚度作为设计变量,以翼型最大切向力系数Ctmax和失速攻角αs的加权和作为目标函数。将XFOIL程序与Viterna-Corrignan失速后模型相结合,计算出优化前后翼型气动性能参数。结果表明,与NACAOO15翼型相比,新翼型的气动性能有了较大提高,最大升力系数增大了33.5%,失速攻角提高了3°,最大切向力系数增大了43.5%。     

转捩对风力机翼型优化设计结果的影响研究

采用基于Kriging模型的优化设计方法开展了风力机专用翼型的优化设计工作.除了在全湍流条件下进行设计之外,同时还在气动优化设计中耦合层流湍流转捩预测,将翼型上下表面的转捩点作为约束条件,采用基于Kriging模型的优化设计方法实现了考虑转捩影响的风力机翼型优化设计.风力机翼型最大升阻比优化结果表明:在两种条件下,优化得到的翼型气动性能均得到较大提高,均具有较好的粗糙度不敏感性,但相比而言,考虑转捩影响的风力机翼型优化设计能在更加真实的环境下获得气动性能更好的优化设计结果.     

基于小样本神经网络与多约束的风力机翼型快速优化设计

针对神经网络模型可以基于现有数据快速准确地预测风力机翼型的气动性能,但大量学习样本的构建需要较高的时间成本的问题,建立基于小样本集的风力机翼型神经网络模型,提出了多约束条件下的翼型气动性能优化设计方法,解决了训练数据过少所造成的学习不充分问题。基于建立的优化设计模型,应用粒子群算法完成了NACA4415翼型的优化设计,将新翼型与原始翼型进行气动特性对比分析。结果表明：新翼型在主要工作攻角范围内最大升力系数提高了6.96%,最大升阻比提高了7.37%,气动性能明显改善;该方法的优化效率远远高于传统方法,从而验证了该方法的可行性。     

襟翼结构对风力机翼型性能的影响及优化设计

为了研究襟翼结构对风力机翼型气动性能的影响,选用NACA0012翼型,建立了翼型加装襟翼的二维计算模型,使用计算流体力学软件Fluent求解定常、不可压缩雷诺平均的N-S方程和Spalart-Allmaras单方程湍流模型,分析了典型的NACA0012翼型添加不同几何形状襟翼在0°~18°攻角α范围内的气动特性。通过计算表明:在风力机翼型上添加不同结构襟翼,能够提高翼型的有效升力系数,添加同样高度和厚度的三角形襟翼比添加矩形襟翼时的升力系数要大,而阻力变化甚小;因此,选择适当的几何形状襟翼不仅能起到增升效果且能相应的节省材料从而改善其经济性。     

基于混合参数化与粒子群算法的风力机翼型气动优化设计

针对风力机翼型在进行高精度设计时变量维度高的问题,提出改进的集成泛函理论与型函数扰动相结合的混合参数化方法。通过串行设计,在不提高设计维度的前提下,实现翼型的全局优化与局部再优化。基于该方法并应用自适应设计空间的粒子群算法,获得最大相对厚度为15%的混合优化翼型。与风力机专用翼型Ris?-A1-15以及集成优化翼型进行气动特性比较分析,新翼型在工作攻角范围内的升力系数平均提升了38.62%与6.48%,最大升阻比提升了6.02%与1.75%,气动特性明显改善。从而验证了该方法的有效性,为翼型的精细化设计提供了新思路。     

基于外场风力机翼型的非定常特性研究

以测绘的外场真实叶片为研究对象,截取有代表性的叶尖和叶根翼型,对比研究其非定常特性。结果表明:运行在小攻角(2.93°)下的叶尖翼型,由于其表面相对较大的粗糙度和增大的尾缘厚度联合作用诱导出极其复杂的旋涡结构,使其升阻力系数呈现周期性变化规律、压力呈现复杂的动态分布形式;而叶根翼型由于其大功角(11.273°)运行和增大的尾缘厚度联合作用,导致气动力出现非定常变化,流场出现强烈的大尺度旋涡结构;说明同一叶片表面粗糙度不同、运行攻角及尾缘厚度不同,会在不同翼型断面诱导出不同的旋涡结构,导致叶片出现复杂的非定常气动特性。     

基于静气弹性能的风力机翼型设计

引入翼型静气弹性能,即气动扭矩对扭转位移的敏感性和扭转位移诱发平移位移的能力,敏感性和能力越低,静气弹性能越好。结合改进的粒子群算法和基于通用集成理论的翼型参数化表达方法,兼顾气动性能和静气弹性能建立优化模型,对现有常用薄翼型NACA 64618进行替代优化设计,新翼型的部分气动性能和静气弹性能都有所提高。就NREL 5 MW参考风力机叶片,用新翼型替换NACA 64618并对额定工况进行仿真,仿真过程中对风速施加一个正弦脉冲,结果表明替换的叶片对脉冲的敏感性低于原叶片,且扭转位移更接近于零,可证明新翼型对叶片的扭转发散有一定抑制作用。     

风力机翼型的气动性能分析

风力机翼型气动性能分析是风力机气动设计和运行优化的重要基础。采用NUMECA软件对弯度为4%的风力机NACA4412翼型进行气动数值模拟,并与实验数据进行比较,取得比较一致的结果。在此基础上,对NACA2412、NACA4412、NACA6412不同弯度的翼型进行模拟分析,对三种翼型在不同攻角下的气动性能进行了比较,为风力机翼型弯度选择和翼型改型设计提供参考意见。     

基于CFD的二维风力机翼型噪声分析

首先通过商业流体软件FLUENT中的LES模型计算对称机翼周围的流场,再运用噪声分析软件ACTRAN提取流场信息,并用Lighthill声类比方法来模拟声场,将气动特性和声场与有关文献的实验结果作对比。接着固定雷诺数,按上述方法模拟非对称翼风力机机翼周围的声场,分析在不同攻角下机翼近场和远场声压分布特点和声传播规律。最后采用不同雷诺数,模拟攻角为9°时非对称机翼周围声场,结果表明雷诺数与声压级关系紧密,但雷诺数和声传播特性关联不大。     

基于自适应遗传算法的分布式综合能源系统优化设计

针对分布式综合能源系统的非线性特征,构建了基于自适应遗传算法的系统优化模型,以系统最小成本为目标优化函数,同时考虑到系统的环保指标和运行可靠性等因素,运用MATLAB软件针对东南沿海一旅游岛屿进行了为期一年的动态运行仿真。研究结果表明：采用优化后的分布式综合能源系统发电成本仅0.8元/KW·h,而单一柴油发电机发电成本达到3.236元/KW·h。在提高系统供电可靠性的同时,大大降低了发电系统的运营成本。系统污染物排放量也得到了大幅降低,相较于单一柴油机发电形式,新的分布式综合能源发电系统的污染排放可以忽略不计,因此可很大程度改善岛上环境。     

风力机翼型动态失速数值模拟

在低雷诺数下,对NACA0012翼型和风力机专用翼型S809的动态失速进行数值模拟。研究不同网格密度、湍流模型对俯仰振荡翼型数值模拟的影响,并与实验结果进行对比验证。数值模拟得出的气动力迟滞曲线与实验结果变化趋势符合较好,表明了数值方法的有效性。采用此方法研究了北航自主开发的风力机专用翼型的动态失速特性。通过分析表明该翼型在动态失速过程中升力系数下降平缓,俯仰力矩振荡变化不显著,适合应用于兆瓦级大型风力机叶片。     

风力机翼型气动特性数值模拟

采用CFD软件Fluent对美国NREL两种风力机翼型S825和S827进行了二维数值模拟,研究了不同网格密度、不同湍流模型对风力机翼型气动特性的影响,并与试验结果进行了对比分析。通过对3种网格密度(4万、7万和10万网格节点)及3种湍流模型(S-A、Standard k-ε和Standard k-ω模型)的数值模拟标定,得出由Fluent软件进行风力机翼型数值模拟时,采用约7万网格节点、近壁Y~+10时达到网格无关,S-A湍流模型进行气动性能预测相对精度较高,为风力机翼型气动设计提供了快速有效地数值仿真性能检测手段,具有较高工程实用价值。