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.     

四参数变弯度翼型的气动特性分析与优化设计

针对NACA 0012翼型,在马赫数为0.176的来流条件下,首先利用数值模拟研究了翼型前缘下弯角度、前缘偏转位置、后缘下弯角度和后缘偏转位置等因素对翼型气动性能的影响规律;其次,以升阻比为目标,上述4个因素为设计变量,利用神经网络建立升阻比与4个设计变量间的预测模型;然后,充分考虑优化精度和神经网络训练数据库的计算量,构造了一种翼型优化过程与神经网络预测耦合的迭代优化策略,基于该优化策略得到最优变弯度翼型构型。对比优化翼型和原始翼型,升阻比提高约22%,较大程度改善了翼型的气动特性;并且通过远场噪声分析,发现优化翼型表现出了较好的声学性能,在1 000 Hz附近单音噪声最大可降低12 dB。     

采用遗传算法的海流能发电机叶片优化与研究

提高海流能水轮机的获能效率是海洋能开发的重点研究内容,提高水轮机获能效率的关键在于水轮机叶片的几何构造.在NACA4412翼型的基础上,采用儒可夫斯基保角变换的方法对翼型进行参数化建模,以最大升阻比为目标函数,施加约束条件进行设计优化,利用遗传算法进行全局寻优求解.在获得最优解后,利用CFD软件Fluent对原翼型和优化后的翼型进行翼型绕流数值模拟,数值模拟的结果表明:优化后的翼型相比于原翼型具有更大的升力系数和升阻比,翼型的最大升力系数和最大升阻比分别提高了18.72％和46.84％,且优化后翼型达到最大升阻比时的攻角相对较小;翼型的临界失速攻角相比于原翼型较大,验证了该优化方法的合理性与可行性.     

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。     

基于CFD分析的翼型性能预测

采用CFD软件FLUENT6．2对CW-1翼型进行数值模拟,预测并分析翼型的气动性能和噪声水平,为进行翼型性能优化奠定基础。     

风力机翼型多目标优化及尾缘加厚研究

采用多目标遗传算法与类别形状函数变换（CST）方法相耦合的方法对翼型外形进行多目标优化设计,在攻角工作范围内,以实现高升阻比、低阻力为目标,最终得到一系列Pareto最优解集。采用指数混合函数法对优化后得到的翼型在尾缘处进行非对称加厚。通过求解二维雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）获得翼型的气动参数,结果显示：优化后的翼型与原始翼型相比具有更优的压力分布,有效提高了升力系数,减小了阻力系数。优化翼型尾缘经过加厚处理后,所有攻角下的升力系数以及升阻比系数都得到了提高,流动情况进一步改善,涡心与失速点均有一定程度的后移,表明钝尾缘翼型具有比原始翼型和优化翼型更好的升阻力特性。     

Matlab优化工具在通用风力机翼型型线设计中的应用

基于Matlab软件中的优化算法和优化工具,针对风力机翼型通用型线集成表达式建立了优化数学模型.以风力机翼型的最大升阻比为优化设计目标函数,翼型形状控制方程的系数为设计变量,翼型的厚度和弯度为约束条件,设计得到了相对厚度为18%的风力机翼型,并对其性能进行了计算分析.研究结果拓宽了风力机叶片翼型的设计思路和设计方法.     

雷诺数对DU系列翼型气动性能的影响

针对雷诺数对大型风力机常用的DU系列翼型气动性能的影响,以DU25、DU30、DU40三种厚度翼型为研究对象,采用Gambit6.3对模型进行流场网格划分,利用商用CFD软件Fluent14.0对其进行气动性能计算,并对其升力特性、阻力特性、升阻比及力矩系数等气动性能参数在(0~30)°攻角范围内进行了分析比较。结果表明,在一定攻角范围内,雷诺数越大翼型的升力系数越大,阻力系数越小,升阻比越大,并且翼型的相对厚度越小,其气动性能受雷诺数影响越大。研究结果为今后的风力机叶片设计及优化提供了一定的参考依据,对片优化具有一定的指导意义。     

基于最大风能利用系数的风力机翼型设计

以叶素动量理论为基础,对翼型风能利用系数进行循环迭代以求解其最大值,同时分析翼型在各段升阻比范围内升阻比增加对风能系数的影响.针对风力机展向各处对翼型设计的不同要求,基于翼型型线与噪声预测理论,综合考虑翼型的前缘粗糙度敏感性、非设计工况特性、失速特性、噪声特性以及风力机的使用寿命,提出以多攻角范围内翼型风能利用系数为设计目标来设计翼型的新方法.计算实例选取相对厚度为18%的翼型进行优化计算,得到一种性能优越的风力机专用翼型,通过和风力机常用翼型NACA 63418在雷诺数Re=2×106和Re=6×106下自由转捩和固定转捩两种工况时性能的综合比较,新翼型在5°～14°攻角范围内具有良好的粗糙度敏感性、非设计工况特性、失速特性以及低噪声,同时也具有更高的风能利用系数,很好地满足了风力机专用翼型的设计要求.     

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。     

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。     

Wind turbine airfoil design using response surface method

This paper describes the design of a wind turbine airfoil under various operating conditions through the use of a suitable combination of flow analysis and optimization techniques. The proposed method includes a parametric study on the influence of design variables and different design conditions on airfoil performance. The incompressible Navier-Stokes equations and the k-ɛ turbulence model are used to compute the aerodynamic coefficients of an airfoil. The response surface method (RSM) is applied to obtain the optimum solution of the defined objective function and the penalty term of the constraint. The influence of the design variables (change in airfoil geometry) on airfoil performance as well as the accuracy of the RSM is examined from the statistical viewpoint. Various airfoil shapes with good aerodynamic performance are obtained according to various operating conditions (change in angle of attack), objective functions (minimum of drag coefficient or maximum of lift-to-drag ratio), and constraints (the lift coefficient of a designed airfoil is higher than that of a base airfoil at a certain angle of attack).     

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。     

风力机专用翼型综合优化设计方法

为了得到拥有优良气动特性且低噪声水平的风力机专用翼型的轮廓线,提出了翼型多工况点多目标综合优化设计方法。该方法应用Bezier曲线对翼型的轮廓线进行参数化表达,并推导出由翼型离散数据点反求Bezier曲线控制点的一般方程。基于翼型噪声预测半经验模型,采用XFOIL计算翼型的气动性能,结合遗传优化算法得到优化翼型。以美国NREL风力机翼型S834为初始翼型,对多工况多目标权重分配方案进行综合设计。研究表明,相对于初始翼型,优化翼型在主攻角范围具有更好的气动性能和声学性能。     

基于iSIGHT平台翼型气动优化CAD/CFD集成技术研究

传统的翼型设计中,CFD大多用来检验设计结果,而不是驱动翼型优化设计。两者基本上处于孤岛状态,没有实现有机的集成。为使CFD更好的应用到翼型优化设计,实现翼型设计/仿真的协同优化设计,需要针对现有的仿真分析软件和设计模型,利用集成优化平台进行流程集成和数据集成。采用集成优化平台iSIGHT实现了翼型参数化程序、UG建模软件、CFD计算分析软件Fluent之间的数据集成与过程集成,从而为基于翼型的多学科协同优化研究打下了基础。     

可逆式轴流风机叶片设计新方案的探讨

重点探讨了正反向性能完全相同的可逆式轴流风机叶片设计新方案。首先,通过对现阶段可逆式轴流风机叶片性能试验数据的分析比较,得出已有的和正在研究的正反向性能相同的双对称叶型并不能令人满意的结论,由此论述了正反向最大升力系数值可望提高１０％以上的指标及其途径;其次,提出了一种正反向组合叶片的全新的设想。它具有可以充分利用现成、成熟叶型等众多优点,还可望继续提高其性能指标;第三,对应用正向前弯动叶片的可行性论证表明,在保证射流风机正反向推力相等的前提下,正向最大升力系数值可望进一步提高１０％以上。     

一种理想风机叶片翼型的设计方法

对理想风机的气动参数进行了设计。通过绘制升阻比曲线和升力系数曲线,对该翼型的弦长、攻角和风轮半径等进行了计算。同时应用Matlab与Profili软件分析翼型在不同攻角下的叶背和叶盆曲线上的升力和阻力的变化情况,并通过Profili软件的翼型受力分析功能,对设计出的翼型进行对比分析,验证了设计的准确性。     

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.