通用风力机翼型型线的表面粗糙度敏感性研究

以风力机翼型为对象,应用边界层理论建立翼型前缘的气流分离模型,探讨气流分离前后翼型表面压力场和速度场的变化规律。相对于传统的翼型反设计理论,提出一种新的集成的、直接的通用翼型型线设计理论。基于泛函分析方法以及翼型保角转换理论,通过选取任意一组特征参数,建立通用风力机翼型型线的集成数学模型并提出其表面粗糙度敏感性的研究方法。研究了通用风力机翼型型线前缘不同分离点以及雷诺数对其气动性能参数的影响,得到不同表面粗糙度下通用型线气动特性的变化规律。研究结果对高性能低粗糙度敏感性的风力机翼型系列设计提供了理论基础,拓宽了风力机翼型的设计思路和方法。     

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。     

湍流工况小型风力机翼型气动特性及稳健优化

风力机翼型设计通常未考虑湍流强度影响,气动设计与实际工况产生较大偏差,为使得翼型设计与实际工况相匹配,考虑随机湍流工况湍流强度大小的不确定性,以S809翼型为研究对象,分析低雷诺数下不同湍流强度对翼型S809升阻气动特性、压力分布影响规律,量化湍流不确定性对翼型气动性能的影响,提出一种在气动优化中耦合层流分离预测的高湍流低雷诺数小型风力机翼型优化策略,基于非嵌入式概率配置点法、TransitionSST模型、拉丁超立方试验设计、Kriging模型和非支配排序遗传算法进行气动稳健优化设计。案例结果表明,优化后翼型湍流适应性增强,在不确定湍流强度TI～N(0.15,0.037 52)工况下最大升阻比平均值提升了6.55%,标准差减小了13.49%。该方法使翼型设计与湍流风况相匹配,降低翼型对不确定湍流的敏感性,为不确定湍流工况低雷诺数翼型及小型风力机设计与应用提供重要参考。     

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.     

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。     

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。     

风力机翼型参数化表达及收敛特性

为了扩展出新的风力机翼型型线和建立便于优化统一的数学模型,基于儒可夫斯基保角变换理论和西奥道生法,提出一种通用的翼型形状参数化集成表达函数(形状函数),分析并推导生成翼型的控制条件方程,研究翼型设计空间覆盖特性情况。以FX66-S196-V1翼型为例,研究应用参数化集成方法生成的不同阶次拟合翼型的几何收敛特性和空气动力收敛特性,随着拟合阶次的增加,拟合翼型的几何坐标和气动性能结果向原翼型逐渐逼近,其11阶拟合翼型的气动特性能够很好的吻合原翼型。在相同工况下11阶拟合翼型升力特性、阻力特性结果与该翼型试验数据的误差很小,可以利用11阶拟合翼型代替原翼型进行风力机的设计和分析,并总结不同翼型参数化集成表达的最低拟合阶数。     

风力机翼型摩擦阻力数值计算中不同湍流模型的比较研究

为了提高风力机翼型特性模拟的准确性,采用数值求解N-S方程的方法,对NACA0015翼型的气动性能进行了数值模拟.考虑不同湍流模型、不同的计算格式、不同近壁面处理方法对风力机翼型特性模拟有着不同影响,数值模拟中应用3种不同湍流模型和3种不同的计算格式,同时配合6种不同近壁面处理方法,并将计算结果与实验结果进行对比。结果表明,在边界层内布置合适的网格点,采用k-ωSST湍流模型数值模拟,可使NACA0015翼型阻力系数的计算精度明显提高。     

尾缘厚度对风力机翼型气动性能的影响

利用CFD软件对DU00-W-212翼型进行数值计算,验证了SST k-ω湍流模型在CFD数值计算中的合理性。通过Profili中的修型功能,分别增大翼型尾缘的上下翼面厚度。分析了在雷诺数Re=3×106情况下,尾缘厚度对气动特性的影响趋势及机理。     

典型霜冰条件下的风力机翼型优化设计

以翼型型线的表达方法为基础,提出结冰条件下风力机翼型设计方法,并在典型霜冰条件下,基于原始翼型WT180优化设计出一种相对厚度为18%的风力机专用翼型ICE180。在自然转捩情况下,用Rfoil计算了ICE180、WT180及NACA63418三种翼型在不结冰以及霜冰条件下的气动性能;在结冰条件下,用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法对三种结冰翼型的气动性能进行验证。研究表明,相对于原始翼型WT180,新翼型ICE180既保持了无结冰条件下的良好气动性能,又在主攻角范围内,大幅提高了霜冰条件下的气动性能,且翼型前缘结冰厚度更小。故此,提出的翼型优化设计方法对于霜冰条件下的风力机专用翼型设计具有重要意义。     

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。     

风力机齿轮箱布局的多目标可靠性优化设计

针对风力机齿轮箱布局设计中存在的问题,采用多目标可靠性优化设计方法,以风力机齿轮箱的箱体体积和齿轮体积最小化为设计目标,建立了风力机齿轮箱布局的多目标可靠性优化设计模型,分析比较了3种常见传动方案对风力机齿轮箱布局的影响,以某型号1.5 MW风力机齿轮箱为例进行了优化分析。研究结果表明,采用该设计方法得到的齿轮箱箱体体积和齿轮体积加权和值比以齿轮体积为目标的单目标设计方法更低。同时,分析结果表明,提高输入转速可大大降低齿轮箱成本。     

Integrated aero-structural optimization design of pre-bend wind turbine blades

In the optimization design of a pre-bend wind turbine blade, there is a coupling relationship between blade aerodynamic shape and structural layup. The evaluation index of a wind turbine blade not only shows on conventional ones, such as Annual energy production (AEP), cost, and quality, but also includes the size of the loads on the hub or tower. Hence, the design of pre-bend wind turbine blades is a true multi-objective engineering task. To make the integrative optimization design of the pre-bend blade, new methods for the blade’s pre-bend profile design and structural analysis for the blade sections were presented, under dangerous working conditions, and considering the fundamental control characteristics of the wind turbine, an integrated aerodynamic-structural design technique for pre-bend blades was developed based on the Multi-objective particle swarm optimization algorithm (MOPSO). By using the optimization method, a three-dimensional Pareto-optimal set, which can satisfy different matching requirements from overall design of a wind turbine, was obtained. The most suitable solution was chosen from the Pareto-optimal set and compared with the original 1.5 MW blade. The results show that the optimized blade have better performance in every aspect, which verifies the feasibility of this new method for the design of pre-bend wind turbine blades.

     

2MW风力发电机轮毂优化设计

优化设计是一种为了让自己的设计材料最省、支出最小的一种技术。通常,在设计中,会有许多的设计方案以供选择,如何从众多的方案中选择一个最好的方案,就需要有较好的设计方法。优化设计的方法有很多,而拓扑优化又称结构布局优化,是一种根据优化目标、载荷及约束而寻求结构材料最佳分配的优化方法。针对2MW风力发电机轮毂进行了拓扑优化,对比分析了优化前后轮毂的质量、及联合工况下的应力和变形,结果表明,联合工况下的应力及变形减小,动态应力最大值减小,动态强度提高;并在三维软件中重建模型,验证优化后模型进行工程实践的可行性。     

Computational study on wind turbine airfoils based on active control for deformable flaps

This study numerically investigates the aerodynamic performance of Deformable trailing edge flaps (DTEFs) to reduce the fatigue and ultimate loads of wind turbine blades. A parametric design is adopted to ensure the flexible deformation of the DTEFs. Based on experimental data, a simulation of a baseline airfoil is performed with two methods: A fully coupled viscous/inviscid method employed by the XFOIL program and a Reynolds-averaged Navier–Stokes solver with a Transition SST (T-SST) turbulence model. The static and dynamic performances of DTEFs are then investigated under different flow conditions by using T-SST and maximizing its numerous advantages. Results indicate that under steady conditions, the effects of flap deflection on the integral forces and flow field structures of airfoils vary from attached flow conditions to separated conditions. The gaps between unsteady aerodynamic responses and static values are greater in attached flow and light stall conditions than in deep stall conditions. The ability of DTEFs to control the fatigue loads on wind turbine blades is verified. Specifically, DTEFs effectively alleviate the force fluctuations on blades under gust-induced swinging when wind speed measurements are considered.     

Numerical investigation of boundary layer suction control positions on airfoils for vertical-axis wind turbine

Journal of Mechanical Science and Technology - Flow separation is a common phenomenon on vertical-axis wind turbine (VAWT), delaying or restraining flow separation is very beneficial to improve the...     

大型风力机叶片的耦合优化方法

为了降低兆瓦级风力机叶片的制造成本,通过耦合叶素动量理论与复合材料欧拉伯努利梁强度设计理论,综合考虑风能效率和成本,以叶片的风能效率成本最小化为优化目标,提出了大型风力发电机叶片的多学科优化设计方法。并基于该方法,对某50 m风力机叶片进行了优化设计。研究结果表明,该方法能够找到风能效率与成本的平衡设计点,叶片风能效率成本比传统设计方法设计的叶片减少了8.84%。     

风力发电机的造型设计

通过对风力发电机的形态设计学研究、空气动力学方面的研究以及机舱内的人机工程学研究从而设计出不仅造型美观而且能提高整体运行的效率、使用寿命的风力发电机。     

风力发电机组轮毂结构优化

以中国自行设计的某MW级风机轮毂为研究对象,先对轮毂进行拓扑优化,验证拓扑结构,然后对轮毂进行自由尺寸优化,给出一种新型的轮毂结构,使得轮毂重量减少18.6%.优化后的轮毂不但节省材料的消耗,而且使得轮毂强度增加51.4%,疲劳寿命满足使用要求.     

数值仿真技术在风力发电机机舱散热设计中的应用研究

为解决风力发电机组机舱内空气流动不合理及局部温度过高的问题,将数值仿真技术应用到风力发电机组机舱散热设计中。开展了机舱内热源散热形式和流动特性的分析,建立了简化的三维物理模型,提出了结合计算流体力学和热力学对系统进行数值仿真的方法,在CFD软件上对不同物理模型的散热性能进行了评价。研究结果表明,原模型机舱内空气流动不合理,核心区域无法得到冷却,导致局部区域温度过高;优化后模型对入口空气流量进行了重新分配,增大了核心区域冷却空气的流量和流速,同时实现了机舱整体温度的降低。