风力机翼型的气动性能模拟与优化设计

论文摘要

叶片是决定风机效率的关键部件,叶片翼型的研究对我国发展风电事业,实现风力机国产化具有重要的意义。本文选用了FFA-W3-301、FFA-W3-211、NACA632-215三种翼型作为研究对象,运用流体力学软件和多学科优化软件对翼型的气动性能进行数值模拟和优化设计。在数值模拟中对比分析了不同湍流模拟对翼型气动性能的影响,并将模拟结果与实验值比较,确定了合理的模拟方案,准确分析了翼型的气动性能。在此基础上本文将网格变形技术应用于翼型参数化,将多学科优化软件与流体力学分析软件相结合,提出了基于网格变形的翼型优化方法。运用该方法对三种翼型分别进行了翼型单目标优化、多目标优化和襟翼优化,得到了光顺的翼型优化曲线,显著地提高了翼型气动性能。本文研究表明:基于网格变形的翼型优化方法适用于翼型整体和局部的气动外形优化。本文为发展适用于风力机的专用翼型提高风力机的效率,提供了一种新的手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文课题研究背景
• 1.1.1 风力发电的开发背景
• 1.1.2 国外风力发电的发展状况
• 1.1.3 国内风力发电的发展状况
• 1.2 风机翼型设计国内外研究现状
• 1.2.1 国外水平轴风力机翼型的研究发展状况
• 1.2.2 国内水平轴风力机翼型的研究发展状况
• 1.2.3 风机翼型的设计方法
• 1.3 本论文的研究内容与意义
• 1.3.1 本文研究的主要内容
• 1.3.2 本文研究的意义
• 第二章 水平轴风力机翼型的基本理论
• 2.1 翼型的几何参数
• 2.2 翼型气动性能参数
• 2.2.1 翼型气动特性
• 2.2.2 影响翼型气动性能的因数
• 2.3 水平轴风力机常用翼型
• 2.3.1 传统的风力机翼型族及特点
• 2.3.2 风力机专用翼型族及特点
• 2.4 本文研究的风力机翼型
• 2.5 本章小结
• 第三章 风力机翼型气动性能数值模拟
• 3.1 流体力学基本理论
• 3.1.1 流动控制方程
• 3.1.2 湍流模型
• 3.2 数值模拟
• 3.2.1 网格划分
• 3.2.2 边界条件及求解控制
• 3.2.3 数值模拟方案确定和FFA-W3-301 翼型的分析
• 3.3 其他两种翼型气动性能模拟
• 3.3.1 FFA-W3-211 气动性能模拟
• 3.3.2 NACA632-215 气动性能模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于网格变形法的翼型气动性能优化
• 4.1 翼型参数化
• 4.1.1 基于几何的翼型参数化方法
• 4.1.2 基于网格变形的翼型参数化方法
• 4.1.3 基于网格变形的翼型参数化实例
• 4.2 优化算法
• 4.2.1 遗传算法
• 4.2.2 自适应响应面算法
• 4.3 优化流程
• 4.4 HyperStudy 优化设置
• 4.5 本章小结
• 第五章 优化算例分析
• 5.1 单目标优化算例
• 5.1.1 FFA-W3-301 翼型GA 和ARSM 算法单目标优化
• 5.1.2 FFA-W3-211 翼型单目标优化
• 5.2 多目标优化算例
• 5.2.1 FFA-W3-301 多工况优化
• 5.2.2 FFA-W3-211 多目标优化
• 5.3 襟翼的DOE 分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文