水平轴风力机专用翼型综合设计优化方法研究

发布时间：2020-12-31 21:29

　　水平轴风力机单机容量大型化和运行环境的多样化发展突显了叶片流动的多尺度影响因素,使得翼型流动条件（如雷诺数、湍流度、表面粗糙度、攻角等）更具多样性和不确定性,构成了风电叶片的流动控制机制及风力机专用翼型设计理论研究的重要挑战。基于多兆瓦级风力机翼型的复杂性能需求,本文围绕风力机翼型综合性能的优化问题展开了如下研究：首先,根据风力机叶片的实际运行特征,提出翼型变工况稳定性的概念；将翼型的气动特征划分为设计点性能、非设计点性能、失速特征和性能稳定性并对之进一步参数化,最终形成了以翼型的气动性能参数项、几何特征参数项和权重系数项为参数体系,以加权计算为方法的综合性能评估方法体系。基于此,按照风洞测量结果,对CAS-W1翼型气动性能进行了综合评估。评估结果表明,与DU翼型系列相比,CAS-W1薄翼型系列具有良好的设计点和非设计点性能。但三种较厚的翼型必须进一步优化或再设计。然后,开展了风力机翼型综合性能优化设计方法的研究。根据风力机的复杂流动特征和各部位气动需求的差异,研究了多兆瓦级风力机翼型的设计需求。提出了“高效、低载、宽工作范围和变工况性能稳定”的气动设计思想,并结合提高结构属性和降低气... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市

【文章页数】：214 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 选题背景与研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 风力机的发展和专用翼型族的研发历程
        1.2.2 翼型空气动力学理论的发展
        1.2.3 翼型气动性能预测方法的发展
        1.2.4 翼型性能的评估方法
        1.2.5 翼型设计和优化方法的发展
    1.3 本课题的主要工作
2 风力机翼型的综合性能评估方法
    2.1 风力机叶片的性能需求
    2.2 翼型基本几何特征参数和空气动力学系数
        2.2.1 翼型的几何特征描述
        2.2.2 翼型的空气动力学特征
    2.3 风力机翼型的评估参数体系和综合评估方法
        2.3.1 翼型综合性能参数
        2.3.2 翼型性能参数体系
        2.3.3 权重系数的分配原则
        2.3.4 翼型性能的综合评估方法
    2.4 CAS-W1翼型性能的综合评估实例
        2.4.1 CAS-W1翼型族与风洞测量数据
        2.4.2 DU YY-W-XXX翼型系列
        2.4.3 性能参数计算与综合评估
    2.5 本章小结
3 风力机翼型优化设计方法研究
    3.1 多兆瓦级风力机翼型的设计需求
    3.2 翼型的气动性能预测方法
        3.2.1 XFOIL计算方法简介
        3.2.2 RFOIL计算方法改进
        3.2.3 预测方法比较
    3.3 风力机翼型的综合性能优化设计方法
        3.3.1 翼型多目标优化的数学模型
        3.3.2 风力机翼型综合性能优化设计策略
        3.3.3 风力机翼型综合优化设计平台的集成
    3.4 风力机翼型的混合设计方法
    3.5 本章小结
4 多兆瓦级风力机翼型优化设计试验
    4.1 叶片内侧大厚度钝尾缘翼型的设计
        4.1.1 设计准则
        4.1.2 设计方法
        4.1.3 设计结果-大厚度钝尾缘翼型的轮廓
        4.1.4 翼型族的气动特征与敏感性分析
        4.1.5 与DU00-W2-401的综合评估
    4.2 叶片中部厚翼型的替代设计
        4.2.1 设计条件
        4.2.2 混合反设计
        4.2.3 数值优化设计
    4.3 叶片外侧主力翼型的综合优化
        4.3.1 设计条件
        4.3.2 数学模型的定义
        4.3.3 优化算法与设计结果
        4.3.4 性能预测与评估结果
        4.3.5 薄翼型的性能参数与几何特征的近似模型
    4.4 本章小结
5 风力机厚翼型雷诺数效应的研究
    5.1 失速现象与二维翼型边界层理论
        5.1.1 翼型边界层
        5.1.2 攻角对翼型边界层发展和气动力的影响
        5.1.3 翼型边界层的其他影响因素
    5.2 实验方案
        5.2.1 风洞介绍与实验装置
        5.2.2 测量结果
    5.3 风力机厚翼型的雷诺数效应
        5.3.1 风力机翼型的雷诺数效应
        5.3.2 分析与讨论
    5.4 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的学术论文和获奖情况
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]S809风力机专用翼型低雷诺数气动特性实验研究[J]. 黄宸武,杨科,廖猜猜,王国付,赵晓路.  工程热物理学报. 2014(11)
[2]风能工程中流体力学问题的研究现状与进展[J]. 黎作武,贺德馨.  力学进展. 2013(05)
[3]大型风力机翼型族的设计与实验[J]. 韩忠华,宋文萍,高永卫.  应用数学和力学. 2013(10)
[4]三种翼型参数化方法的研究[J]. 孙勤,张俊彦,邹汝红.  湘潭大学自然科学学报. 2013(03)
[5]几何参数对风力机翼型转捩特性的影响[J]. 高伟,李春,高月文,叶舟.  动力工程学报. 2013(06)
[6]NPU-WA系列风力机翼型设计与风洞实验[J]. 乔志德,宋文萍,高永卫.  空气动力学学报. 2012(02)
[7]风力机翼型气动参数影响分析及叶片粗糙敏感性评价指标探讨[J]. 黄宸武,杨科,刘强,张磊,白井艳,徐建中.  中国科学:技术科学. 2012(02)
[8]改进Hicks-Henne型函数法在翼型参数化中的应用[J]. 张扬,白俊强,朱军,黄江涛.  飞行力学. 2011(05)
[9]风力机翼型的多学科设计优化[J]. 余莉,呼政魁,程涵,明晓.  南京航空航天大学学报. 2011(05)
[10]基于多目标遗传算法的风力机翼型形状优化[J]. 张石强,陈进,Peter Eecen,程江涛,陆群峰.  太阳能学报. 2011(08)

硕士论文
[1]大厚度风力机翼型气动特性及失速机理研究[D]. 周姣.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2013
[2]水平轴风力机专用翼型族的设计及其气动性能研究[D]. 李宏利.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2009



本文编号：2950346