基于改进NSGA-II算法的风力机叶片多目标优化设计

一种结合了精英控制策略和动态拥挤距离方法的改进的快速支配排序算法(Fast and elitist non-dominat-ed sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)被用于风力机复杂的多目标优化设计中。作为此算法的应用算例,以风轮的年发电量最大、叶片的质量最小和叶片根部的极限推力最小为目标,分别进行了两目标和三目标的1.5 MW风力机叶片的优化设计。研究表明:两目标优化给出的Pareto最优解集分布在一条曲线上,而三目标的优化结果基本分布在一个有明显边界的五阶曲面上。同时也可以看出,此算法在处理风力机多目标优化问题取得了良好的效果,给出的是一个Pareto最优解集,而不是传统优化方法追求的单个最优解,为风力机多目标优化设计提供通用的算法。     

风力机叶片顺风向风致振动研究

借鉴桥梁和高楼建筑上已经广泛应用的风工程方法,在考虑脉动风的随机性的条件下,从频域和时域两个角度讨论了风力机叶片极限位移的计算方法。文中采用了Shinozuka提出的谐波叠加法从脉动风功率谱得到一组脉动风的时程样本。风力机的叶片被简化为变截面梁来考虑。将选定的脉动风功率谱以及相应的里程样本作用在叶片上,运用频域和时域两套方法对叶片进行了计算和分析,得到叶片的顺风向振动的平均位移和极限位移结果。结果表明,频域和时域两套方法得到的结果基本一致。将所提出的方法用于工程应用中,分析了暴风停机状态下的叶片极限位移最不利情况。最后指出本文的方法是一般性的,可用于风力机叶片与塔架的耦合分析。     

风力机叶片的全局表面摩擦力测量的荧光油膜法

表面摩擦力是分析和预测风力机叶片气动特性的重要途径之一。为了实现风力机叶片全局表面摩擦力测量,获得流动在叶片上的拓扑结构,理解相关流动机理,引入了荧光油膜测量技术,给出了荧光油膜在表面摩擦力作用下的演化模型,并讨论了该演化模型的求解方法。为了验证该方法在风力机叶片上运用的可行性,设计了一个简化实验。实验中以平板代替具有三维弧面的叶片,并采用不同角度的倾斜射流冲击给定平板,以获得不同摩擦场。实验结果与E M Sparrow和B J Jovell给出的测试数据一致,这意味着基于荧光油膜的全局表面摩擦力测量方法具有测量风力机叶片上全局表面摩擦力的潜力。     

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。     

叶片数对垂直轴风力机结冰分布影响风洞试验

风力机叶片表面结冰会降低其气动性能和发电效率.本文研究了旋转状态下叶片数对垂直轴风力机叶片表面结冰分布的影响;搭建了利用自然低温的结冰风洞试验系统;测试了3种叶片数(1、2、4)、3种尖速比(0.2、0.6、1.0)条件下的叶片结冰分布情况.结果表明:在不同尖速比下,叶片数对垂直轴风力机叶片表面结冰分布规律影响显著,叶...     

风力机叶片表面压力分布测量

本文给出了一个直径为5.35米的水平轴风力机在中国空气动力研究与发展中心12米×16米风洞试验段中进行的叶片表面压力分布的测量结果。在 Re 数从4×10~5至1.2×10~6的范围内,测量了叶片上八个剖面的压力分布。同时还用内式六分量天平测量了风轮的推力和功率。试验结果表明:风轮叶片根部处的载荷高于理论计算值,而叶尖处的载荷则低于理论计算值;叶素-动量理论对风轮最大功率预估偏低,而在高叶尖速比下,它对风轮的功率和推力预估偏高。测压试验结果与测力试验结果符合一致。     

风力机叶片气动弹性实验研究

风力机叶片在风洞中作气动弹性实验的模拟方法、简化原理、模型设计原理和数据处理等有关问题及其弯曲／摆振颤振模型的地面实验和风洞吹风实验结果，文中都进行了讨论，根据模型实验的频谱和时域图，分析模型可能发生颤振的速度，用＂频率重合理论＂确定了模型的颤振点以及发生颤振时的颤振速度和颤振频率。     

考虑平稳风修正和塔架干扰的风力机叶片3-D风场模拟

为准确模拟风力机纵向、横向和垂直向的3-D随机风场,以南京航空航天大学自主研发的NH1500风力机为例,首先采用考虑沿高度变化的指数模型、塔影效应影响的潜流模型和上游风机尾流影响的涡流粘度模型对平稳风进行修正。然后基于空间变化的改进Von Karman风谱模型,结合谐波叠加法模拟风力机的来流脉动风速时程,再利用改进的叶素-动量理论获得考虑叶片旋转效应和塔架-叶片相干效应的风力机纵向、横向和垂直向3-D随机风场。该方法充分考虑风力机风场模拟的外界干扰因素和自身特性,提高了风力机系统风场模拟的准确度。算例分析表明,本文方法可以准确地模拟给定风环境的风力机系统3-D风场。     

风力机叶尖涡的数值模拟

以NREL Phase叶片的1/8模型为对象,采用有限体积法求解不可压缩雷诺平均的Navier-Stokes方程组,模拟了风力机叶片的绕流和尾流,分析了叶尖涡的生成和发展过程。结果显示:在叶片尖部,从前缘开始生成的压力面一侧漩涡和从约1/2弦线开始生成的吸力面一侧漩涡在尾缘附近汇合并脱出形成叶尖涡;在近尾流区域,叶尖涡先局部向内迁移,但其原因并非风轮旋转;在远尾流区域,叶尖涡以接近线性的规律持续向外迁移;叶尖涡与叶根涡共同形成的涡系结构,在风轮下游相当一段距离仍然对尾流场产生显著的速度诱导,表明尾涡对风力机尾流场产生主导作用。     

风力机叶片表面压力的计算与外场测试分析

研究在外场工况下,对风力机叶片表面压力的测试方法,并将测试结果与CFD计算结果进行比较.为了获取叶片在外场非稳态工况下的压力信息,沿叶片展向选取7个典型段面布置带式压力传感器.在数值计算中,通过数码扫描得到试验翼型的几何形状并建立计算模型,用非压缩的N-S方程和SSTk-ω湍流模型耦合,分别对7个翼型的气动性能进行计算.通过对试验和计算结果的对比发现,因为三维旋转效应的存在,基于动量-叶素理论的二维翼型计算常常低估了实际风轮动力的产生,旋转叶轮表面压力分布和二维翼型计算结果明显不同.     

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。     

基于多学科涡轮叶片气动设计优化

涡轮叶片设计涉及到的学科有气动、强度、振动、结构、工艺、材料及传热等。由于其设计过程的复杂性,本文主要在气动、强度和传热3个学科的基础上,针对某型号涡轮级叶片的气动设计进行仿真优化分析的基础研究。其中涉及到涡轮叶片气动设计过程中的参数化建模、设计优化仿真集成以及设计优化模型的建立等,同时分析了设计中存在多变量优化策略的实施,初步实现了涡轮叶片在气动设计过程中耦合流场、应力场和温度场的优化仿真计算,最后对优化前后的结果进行对比分析。     

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。     

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。     

定桨距风力发电机在桨叶深失速区运行研究

定桨距风力发电机结构简单、成本较低,在恒速运行时主要依靠失速性能来调节输出功率.为了进一步提高该型风力发电机的输出功率,需要研究其在叶片深失速区内变速运行,实现在低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制,从而具有与变桨距变速风力发电机相媲美的功率特性.本文采用鲁棒PID控制器设计转速控制系统,其动态响应特性符合设计要求.实验结果表明,定桨距变速风力发电机能够在设计风速范围内稳定运行,其变速控制系统具有良好的动态响应特性,依靠变速控制系统能够实现低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制.     

以风轮气动性能为目标的风力机翼型优化设计

提出了一种优化风力机翼型气动特性的设计方法。在现有风力机翼型的基础上,通过改变其最大厚度位置至后缘部分的外形进行优化计算。采用N-S方程计算翼型的流场及气动特性,以提高风力机切向力同时减小其法向力为目的,用二维线性插值的方法进行多目标优化。以DU 93W 210翼型为例,针对风力机翼型气动性能本身的矛盾性,根据实际需求提出几种方案加以优化。结果表明,在不同的性能需求下,本文所提出的设计方法能取得较好的效果。