一种风力机翼型的多学科优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水平轴风力机翼型设计领域，具体涉及适用于水平轴风力机叶片中外 侧区域翼型的多学科优化设计。
【背景技术】
[0002] 翼型是构成风力机叶片的基本元素。从翼型的角度研宄各种流动下边界层的转 捩、分离特征和控制规律，研发出性能优异的风力机翼型，是实现风力机叶片在各种严酷的 自然环境下叶轮高效、稳定、安全运行的基础。在风电叶片发展的初期，人们广泛使用航空 翼型进行叶片的气动和结构设计。基于风力机翼型的内在需求，自二十世纪八十年代以来， 人们研发出一系列专用翼型族取代航空翼型在水平轴风力机上的应用。这些风力机翼型 基于风力机区别于航空飞行器的流场特征（如：低雷诺数、高大气湍流度、复杂的变工况特 性、深失速及动态失速运行特性以及叶片表面易受环境污染等）结合不同控制类型的风力 机叶片需求设计得到。风力机专用翼型取得了广泛的应用，但是应对更加复杂的叶片流动 特征和性能需求必须进一步优化。
[0003] 单机容量的大型化是水平轴风力机发展的一个典型特征，其叶片尺寸显著增长， 风轮直径达到100米量级。这使得叶片旋转时各部位的流动雷诺数差异以及叶片外侧展 向位置雷诺数的变动更加明显，气弹效应对攻角、截面几何轮廓的影响也更加突出。同时， 随着风能资源丰富地区的大量开发，新建风电场具有地域环境多样化的特征，如陆上环境 严酷的风资源丰富区域，陆上低风速区域、高海拔低密度区域，沿海温湿地区、台风濒临地 区以及海上区域。这使得叶片表面流动的影响因素更加复杂多样：在宏观尺度上表现为不 同地域环境下底层大气边界层风特性（如年平均风速水平，脉动风湍流强度以及阵风系数 等）和环境特征（如环境温度，空气湿度和粘度，空气清洁度，极端气候状况等）；中等尺度 表现为局部地物地形和风场微观布局，尤其是风力机尾流风速、湍流度等。在各类风场下， 这些因素相互耦合造成叶片表面的边界层分离方式更加复杂，流动充满不稳定性，对叶片 的气动、结构设计和流动控制带来了更大的挑战。要从翼型的角度实现叶片高效、稳定运 行，必须在风力机区别于航空飞行器的流场特征的基础上，结合风力机大型化和运行环境 多样化带来的叶片流动复杂性进一步发展翼型的气动设计准则。另一方面，单机容量的大 型化使得叶片尺寸显著增长，要求增加各部位的结构强度和刚度；在低风速地区新建风电 场的位置愈来愈靠近居民生活区，必然要求进一步降低叶片的气动噪声。也就是说，除了空 气动力学性能以外，还必须考虑翼型的结构属性和气动噪声特性，进行多学科的优化设计。
[0004] 早期的风力机设计多采用反设计方法进行设计。反设计方法快速高效，但其主要 局限在于优化设计过程需要人工干预，只能进行单点设计，难以平衡翼型复杂且相互制约 的性能需求。随着风电技术的发展，风力机翼型设计问题具有明显的多学科多目标属性，翼 型的设计准则也愈加复杂。因此，随着最优化技术的发展和计算机几何辅助设计技术的发 展，人们开始将CFD计算方法和数值优化算法进行结合，逐步修改翼型的几何特征参数或 者解析参数取得符合目标的最优解。丹麦国家实验室:R丨S0采用基于梯度算法的数值优化 算法进行多目标设计得到RIS0系列翼型族。荷兰ECN的研宄者采用梯度算法和遗传算法 相结合，考虑了气动和结构两个学科方面的目标参数实现了风力机翼型的优化设计。国内 的学者也成功的构建了一些风力机翼型的数值优化平台，但对于设计目标的确定方面仍然 局限于部分气动系数（如升力系数等）方面，需进一步发展。
【发明内容】
[0005] 鉴于以上问题，本发明旨在构建风力机翼型的多学科优化设计的数学模型；集成 翼型的几何设计、结构分析、气动分析和声学特性分析模块，提出风力机翼型的多学科自动 优化设计方法及以该方法设计得到的风力机翼型。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种风力机翼型的多学科优化设计方法，根据风力机叶片大型化和运行环境多样 化的性能需求，同时对翼型的气动性能、结构属性及声学特性进行优化，其特征在于，所述 设计方法包括如下步骤：
[0008] SSL将翼型各性能需求参数化，结合权重系数法构建翼型的多学科优化目标函数 fx，所述多学科优化目标函数f x包括气动性能目标子函数f a、结构属性目标子函数fg及声 学特性目标子函数fs，所述多学科优化目标函数仁与各目标子函数f a、fg、fs之间的关系 为：
[0009] fx= w afa+wgfg+wsf s,
[0010] 其中，wa、wg、ws分别为目标子函数^、仁的权重系数；
[0011] SS2.根据目标翼型在风力机叶片的展向位置处的实际运行雷诺数和攻角范围，确 定目标翼型的设计雷诺数和设计攻角；
[0012] SS3.给定初始翼型的几何坐标，所述初始翼型的最大相对厚度与目标翼型基本相 同；
[0013] SS4.选定优化算法对目标函数仁进行优化，得到目标翼型，其中，对目标函数f x 的优化包括翼型几何解析模块、翼型结构分析模块、翼型气动分析模块、翼型噪声分析模块 和模型定义和算法选择模块；所述模型定义和算法选择模块实现翼型设计变量上下区间的 设定、翼型目标约束参数具体设置，翼型多目标函数中各目标子函数的权重系数、归一化因 子的设置，以及最优化方法的选择和定义，其中，根据初始翼型的几何特征和几何兼容性的 要求，确定翼型设计变量的上下界；根据目标翼型在风力机叶片的展向位置处的性能需求 分配各目标子函数的权重系数；在翼型优化过程中，以翼型的相对厚度T、截面惯性矩I yy、 设计升力系数 Cl，design、八 Q、C]_，max、 Mstall、clmax,ft、Sre、S sf、增量 Λ Spl,tQtal为约束参数。进一 步地，各约束参数的约束条件为 T = 0· 21，IyyX). 1975, Cl，design>l. 25, Λ α >5, Cl，max〈l. 85， Mstaii〈l〇〇，clmax，ft〉l. 5，Sre〈0. 08，Ssf〈0. 09，ASpl，total< 3〇
[0014] 优选地，在结构属性目标子函数匕中，将翼型的截面二阶惯性矩I yy作为目标参 数，目标子函数fg和该目标参数之间的关系为fg= -P giyy，其中，Pg为二阶惯性矩I yy的归 一化因子。
[0015] 优选地，在声学特性目标子函数仁中，以频率自15Hz到20000Hz范围内噪声的总 声压级spl，t(rtal为约束参数，目标子函数f s和该约束参数之间的关系为f s= p Sspl，t(rtal，其中， Ps为总声压级 S pl，total 的归一化因子。
[0016] 优选地，在气动性能目标子函数4中，至少包括以下参数：翼型最大升阻比（1/d) max、设计升力系数C1^sign、非设计攻角域升力特征参数R d、非设计攻角域升阻比特征参数 Rld、失速平缓特征参数Mstal、最大升阻比随Re变化的相对变化率SM， ld、最大升力系数随Re 变化的相对变化率S%d、最大升力系数随表面粗糙的相对变化率Ssf，d、最大升阻比随表面 粗糙的相对变化率S sf;ld，其中，Rd、Rld为约束参数，（1/d) max、Cl，design、Mstal、Sre，Η、Sre， C1、Ssf，ci、 Sstld为目标参数；气动性能目标子函数f 3和各参数之间的关系为：
[0017] fa= w !P1 (l/d)max+w2p2c1；design-w 3p3Rci-w4p4Rld-w 5p5mstall；max-w6p6S re；ld-w7p7Sre；cl-w8p 8Ss ……、W9为对应各参数的权重系数，p i、p2、……、p9为对应各参 数的归一化因子。
[0018] 进一步地，以将目标函数fx最大化max为优化方向，目标函数f JP各参数之间的 关系为：
[0019]
【主权项】
1. 一种风力机翼型的多学科优化设计方法，根据风力机叶片大型化和运行环境多样化 的性能需求，同时对翼型的气动性能、结构属性及声学特性进行优化，其特征在于，所述设 计方法包括如下步骤：
551. 将翼型各性能需求参数化，结合权重系数法构建翼型的多学科优化目标函数fx， 所述多学科优化目标函数fx包括气动性能目标子函数fa、结构属性