风力机翼型阵风响应计算与分析

基于网格速度方法,对阵风条件下风力机翼型运动的气动特性进行数值计算。中心格式有限体积法、双时间推进法求解预处理后的非定常N-S方程。计算结果表明:在弦向阵风作用下,翼型的运动能有效降低响应波动峰值,即弦向阵风对运动影响较小;而在法向阵风作用下,气动响应波动很大。计算翼型在不同参数阵风作用下的响应过程,阵风的频率变化对响应影响不大。弦向阵风的幅值增大,叶片运动对阵风响应峰值减缓效果增加;法向阵风的幅值增大1倍,响应峰值也增加1倍。     

旋翼翼型定常-非定常特性综合优化设计新方法

旋翼翼型对直升机旋翼及全机气动特性有至关重要的影响。结合直升机飞行特性及旋翼工作气动环境,本文提出了一种新的旋翼翼型设计理念,即定常优化设计同非定常设计相结合的方法来开展直升机旋翼专用翼型的优化设计。首先,建立旋翼翼型非定常气动特性的高精度CFD求解方法,以获得旋翼翼型在相应状态下的升力、阻力和力矩等气动参数。其次,针对旋翼翼型优化状态的特点,对于翼型静态优化及动态失速优化分别采用遗传算法和序列二次规划算法。在上述方法建立基础上,首先针对定常状态下的原始翼型(SC1095)进行优化设计,获得一个满足设计要求的静态优化翼型,进一步着重对该翼型在非定常状态下进行优化设计,成功地得到一种新翼型,并具有非常规外观。结果表明,在设计状态下,新翼型在保持良好定常气动特性的同时,明显减弱了动态失速状态下的分离涡,从而显著改善了翼型的动态失速特性。     

应用对策理论的多目标气动优化设计

将经济学中的Nash均衡理论引入到气动优化设计中,探索一种新颖的处理互为冲突的多目标气动外形优化设计方法.基本的优化器为基于伴随方法的确定性优化算法,文中通过引入负反馈技术发展了约束最优控制理论,所有的约束条件都被自动的和隐含的满足.在对称Nash策略中,每一个优化器都力图优化自己的目标,而Nash平衡则提供了多个目标之间的一种妥协解.设计算例表明,文中的Nash竞争策略在多目标气动优化设计中是有效的.     

基于响应面法的跨声速翼型气动优化设计

基于响应面方法进行了跨声速翼型的气动优化设计。流场计算采用雷诺平均N-S方程。响应面模型采用二次多项式来构造，试验点的选取满足D优化准则。设计结果表明该方法只需通过较少流场计算就能对翼型的单个或多个设计点、在多约束条件下进行气动优化设计，设计质量较高，有较大的工程应用价值。     

风力机翼型参数化方法

为满足开发高性能风力机专用翼型所需,提出一种风力机翼型参数化表达方法。首先,基于计算几何理论,开发了一类带形状可调参数的广义Bézier曲线,该曲线不仅保持了Bézier曲线良好的特性,而且具有维持控制多边形不变而实现形状可调的能力,能够更灵活地表达几何外形。然后,针对风力机翼型特点,将此类曲线进行可控性改进,发展了一种风力机翼型参数化表达方法。最后,通过表达常用翼型,以及同其他表达方法进行外形拟合对比,验证了新方法具备全面细致的表达能力,进一步以拟合DU93-W-210为标准算例,与其他方法进行气动特性的吻合表现对比,最终验证了新方法的有效性。     

基于遗传算法的变桨型风力机翼型设计

从提高叶片效率和降低叶片输出载荷两方面对翼型的设计要求进行了分析,并直接以叶片的综合性能为目标,采用遗传算法耦合XFOIL进行翼型的优化设计,最终以计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)的计算结果作为翼型性能的评价依据,设计了相对厚度从18%到30%四个风力机专用翼型。从理论上分析了翼型形状改变与性能改善之间的对应关系。结果显示,与行业内成熟的翼型相比,新翼型在效率控制区内能取得更好的升阻力特性,同时在载荷控制区内能减小升力系数,因而采用该族翼型能够在提高叶片的发电量同时减小叶片的输出载荷,为叶片带来更好的综合性能。     

λ机翼气动/结构多学科设计与优化

λ机翼锯齿状后缘的气动外形设计增大了展弦比,进而提高了空气动力学效率,但同时也导致结构质量的增加。因此,本文提出了一种针对战斗机类λ机翼的气动/结构多学科设计优化方法,关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型自动生成与结构布局/尺寸优化。在ISIGHT软件环境下集成气动、结构优化模块,利用基于代理模型的多级优化方法求解λ机翼气动/结构多目标优化问题。算例结果表明,本文提出的优化方法能够较好地兼顾了λ机翼的气动和结构性能,进而提高初步设计阶段的效率。     

风力机翼型动态测压试验技术研究

结合国家高技术研究发展计划课题“风力机先进翼型族的设计与试验研究”,针对动态试验设备研制、数据采集和处理方法,在西北工业大学1.6m×3.0m低速翼型风洞(NF-3风洞)开展了风力机翼型动态测压试验技术的研究.采用S809风力机翼型模型,在雷诺数0.75×106和1.4×106、迎角-2°~+18°条件下,通过改变模型3个平均迎角、3个振荡频率和2个振幅角等状态,进行了动态测压试验,并与静态测压及国外试验结果进行了对比.结果表明:NF-3风洞研制的试验设备,采用的数据采集和处理方法能够应用于风力机翼型的动态测压试验,并可推广应用于其他的翼型动态测压试验研究.     

叶片翼型结冰形态及其气动特性

针对风力机叶片翼型形状对结冰过程的影响及其导致的气动特性变化问题,采用欧拉法及热传质原理构建叶片结冰过程的数学模型并进行数值模拟分析。以NH02系列翼型族为例,建立翼型曲率特征模型,研究叶片关键参数如最大厚度对结冰量的影响机制,预测了某翼型在不同工况下的冰形及位置,探究了干净与结冰翼型的升、阻力特性变化规律。结果表明,结冰量与叶片的相对厚度及最大相对厚度所在位置呈正相关性;结冰导致升力系数变化范围为5%～20%,阻力系数为干净翼型的1.4～2.45倍;结冰致使翼型失速迎角变小,翼型提前进入失速状态。     

风力机翼型的多学科设计优化

为了解决优化计算和流场分析耦合求解的难题,并实现优化流程的自动化运行,采用多学科优化设计框架软件,针对风力机专用翼型运行工况,对低雷诺数航空翼型NACA 4412的气动性能进行优化设计。软件集成了翼型生成、网格划分、流场分析、优化计算4个模块。其中,流场计算采用N-S方程求解;优化方法为多岛遗传算法。优化结果表明,优化后翼型有较高的升力系数和相对大的升阻比,其升阻比提高了15.9%。该方法可以实现多学科领域的精确分析和整个优化循环过程的自动化运行,也能为其他气动外形的优化设计提供参考。     

三维动态失速模型在风力机气动特性计算中的应用

为了适应风力机叶片的大展弦比、旋转和只有单侧叶尖涡的特点,对已建立的适用于小展弦比直机翼的三维动态失速模型进行了一系列的修正,然后用于风力机三维非定常气动特性计算。该动态失速模型所必须的气动输入参数将由动量叶素理论方法计算得到。本文将动量叶素理论、三维动态失速模型、三维旋转效应模型适当耦合起来,获得了风力机叶片的三维非定常气动特性计算方法。应用上述方法计算得到了不同工况下的风力机叶片各截面的非定常气动载荷结果,并与风洞实验结果以及用二维动态失速模型计算的结果进行比较,对计算方法和计算结果进行了详细的分析和讨论。本文模型相比于二维模型,能够更好地仿真风力机叶片的三维动态失速气动特性,尤其在叶片外部截面效果更佳。     

风力机翼型动态失速的POD模型降阶方法

利用本征正交分解(Proper orthogonal decomposition,POD)原理设计了一种针对风力机翼型动态失速的时变过程的辨识方法。首先对周期俯仰运动的风力机翼型流场的动态失速过程进行数值模拟,然后用上述方法进行了有效的辨识并从中提取了关于动态失速过程的主要模态信息。在给定的误差阈值下,分别针对浅失速和深失速的情况,将该降阶模型的辨识结果与数值计算原始结果进行了对比并对误差进行了相应的分析。结果表明,该降阶模型方法能够以明显降低的计算量精确辨识翼型的浅失速情况;对深失速的辨识会由于湍流模型的精度影响有所降低。     

风力机叶片优化设计目标

研究了变桨型风力机叶片的气动性能计算、叶片设计载荷评估、叶片结构设计、风力机组成本评估及风电场运营模型,并将这些模块进行了整合,得到了度电成本的计算方法,同时提出了风场运营收益最大这一叶片设计目标。基于有针对性的叶片参数化描述,采用自适应模拟退火算法,分别以不同的目标优化设计了1.5MW变桨型的叶片。分析比较了度电成本及风场收益两个指标在平衡发电量和成本上的区别,认为在可以确定上网电价的情况下,以风场收益最大为目标设计叶片能为风电运营商带来更多的收益。     

雷诺数对粗糙表面翼型气动性能的影响

采用Spalart-Allmaras湍流模型研究风力机专用翼型DU00-W-212的气动性能。在雷诺数小范围变化的情况下,应用数值模拟的方法对粗糙翼型和光滑翼型的气动特性进行对比。探讨雷诺数小范围变化对粗糙翼型气动特性的影响,并分析升阻力的变化机理。比较升阻力曲线,发现粗糙度对升力系数影响最大的区域在迎角10°附近。小迎角的情况下,前缘粗糙度会使得翼型的升力系数下降,阻力系数反而上升。在大迎角失速的情况下,粗糙翼型的阻力系数反而小于光滑翼型的阻力系数。为了增加叶片适应恶劣沙尘环境的能力,在叶片设计和翼型排布的过程中应该尽量避开升力系数最大的迎角处。     

基于自由涡尾迹法和面元法全耦合风力机气动特性计算

风力机气动特性主要由叶片贡献,但是处在流场下游的机身(包括机舱和塔架)对其也会产生影响。基于自由涡尾迹方法与面元法,得到了一个较为完备的风力机叶片与机身气动干扰的迭代计算方法。在该方法中,叶片用位于1/4弦线的一根升力涡线代替,结合叶片尾缘拖出的涡线建立自由涡尾迹模型,机身绕流模拟采用了一阶面元方法,将自由涡尾迹方法和面元法耦合模拟风力机主要气动特性。最后用该分析方法计算了NREL phaseVI风力机的气动特性,与实验结果进行比较和分析,验证了全耦合模型的有效性。     

GFRP风机叶片结构设计的二级优化方法

通过对风机叶片结构特性的分析,以叶片腹板位置和蒙皮铺层厚度为设计变量,发展了一种二级优化设计方法。首先建立腹板位置参数的代理模型,根据所建的代理模型以质量最轻为目标进行系统级优化求解出腹板位置,然后将结果传给子系统级,子系统级采取分步优化策略求解叶片铺层厚度。当两级优化结果收敛时得到叶片最佳设计。经算例验证,采用这种二级优化方法,可得到较为理想的叶片结构设计结果。     

风力机叶片非定常气动力降阶模型方法

基于计算流体力学(Comptational fluid dynamic,CFD)的非定常气动力降阶模型方法,建立起叶段振动状态下的非定常气动力模型,用来模拟叶片变形与气流耦合作用下的附加非定常气动力,实现了叶段在旋转过程中的非定常气动特性建模。通过与CFD结果的校验,验证了方法的可行性,分析了模型对阶跃幅值、风速及振动频率等参数变化的敏感性,然后将方法推广至多叶段模型,并结合结构动力学方程给出多叶段模型的气动弹性响应历程。     

基于预处理和网格自适应的风力机翼型气动力计算

用预处理后的Navier-Stokes方程数值模拟低马赫数下风力机翼型的静态和动态绕流流动。为了提高计算的精度,运用了网格自适应技术:初始网格的流场计算收敛后,采用流场速度的紊乱度捕捉湍流区域;采用直接分裂初始父单元的H型网格加密方法对湍流区域进行局部加密。基于初始网格与自适应网格的计算结果与实验结果的对比表明,网格自适应方法提高了计算的精度。