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。     

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。     

基于SST全湍流伴随的尾桨翼型优化方法

为解决当前翼型优化中广泛使用的冻结湍流黏性假设存在的固有缺陷和基于Spalart-Allmaras(S-A)全湍流伴随中湍流模型对气动力计算精度较差的问题，提出一套新的翼型优化方法，其耦合了全湍流连续伴随求解、剪切应力传递（SST）湍流模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程、自由变形参数化方法和动网格变形技术。基于所提方法，在气动力系数相较于S-A模型有更高捕捉精度的基础上，对NPL9615翼型以最大升阻比为优化目标，并与冻结湍流黏性假设方法对比。结果表明：所提方法将原有翼型的升阻比提高了16.39%，而冻结湍流黏性假设方法获得最终翼型的升阻比仅提高了原有翼型的9.84%，说明所提方法在最优外形的获取上要领先于冻结湍流黏性假设，并且当翼型周围的湍流动能显著提高时，其优势愈发扩大。     

侧风下孤立尾桨的气动特性和抗侧风优化

尾桨涡环严重危害了直升机飞行安全，为探讨涡环对桨盘附近诱导速度场的影响和解释桨叶拉力非定常脉动的原因，构建了一套基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的尾桨涡环数值计算方法，并结合叶素动量理论和圆线涡环模型进行气动分析。同时，为解决当前翼型优化中广泛使用的冻结湍流黏性假设存在的固有缺陷，建立了一套全湍流连续伴随的翼型优化框架，获得的翼型用于尾桨设计以提高尾桨抗侧风能力。结果表明，桨盘附近诱导速度场对侧风入流速度十分敏感，在典型涡环状态下，14.65 m/s侧风导致涡环的涡强增大且不断改变，引发翼剖面的有效攻角随桨盘附近风速动态减小，进而尾桨拉力下降至原有的58.5%并伴有高频脉动。全湍流连续伴随在最优外形的获取上则要领先于冻结湍流黏性假设，最佳翼型获得的尾桨相较于原始尾桨的拉力提高了10.9%，悬停效率提高了3.9%，扩大了尾桨进入涡环的临界侧风速度。