[发明专利]一种考虑高湍流自由来流效应的风力机翼型气动优化方法

权利要求书

1.一种考虑高湍流自由来流效应的翼型气动优化方法，根据复杂风场中风电叶片的高湍流入流特性，在满足翼型基本设计需求的前提下，对翼型气动效率、载荷随来流扰动的敏感性进行优化，其特征在于，所述翼型气动优化方法包括如下步骤：

SS1.确定目标翼型基本运行条件：

根据目标翼型所适用的风力机叶片的容量、长度以及目标翼型在风力机叶片展向上的适用位置，确定目标翼型的相对厚度以及在风力机叶片适用位置处的运行条件；

根据目标翼型在风力机叶片适用位置处的运行条件，确定目标翼型的运行攻角范围、运行雷诺数条件和入流风湍流水平，

其中，

根据目标翼型所适用风力机叶片的容量以及长度，采用叶素动量理论分别计算得到切入风速、额定风速以及切出风速条件下目标翼型所适用风力机叶片展向位置附近的运行攻角范围、运行雷诺数范围，

目标翼型的入流湍流水平根据所适用风力机叶片的尖速比以及风场湍流水平预估得到；

SS2.预评估参考翼型的各项气动性能特征参数：

选择一组与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为参考翼型系列，计算各参考翼型在所述目标翼型的设计工况条件以及若干非设计变工况条件下的基本气动力系数，进而评估各参考翼型的各项气动性能特征参数，所述各项气动性能特征参数中至少包括表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数，

其中，

将目标翼型的基本运行条件作为目标翼型的设计工况条件，以所述基本运行条件的上界和/或下界作为变工况条件；其中，为与各参考翼型的气动特性以及实验数据进行有效比较，仍以低湍流自由来流为目标翼型的设计入流湍流条件，但设定目标翼型实际运行的高湍流入流强度作为变工况入流湍流条件，

表征气动效率的气动性能特征参数至少包括最大升阻比l/d_max；表征设计载荷的气动性能特征参数至少包括设计点升力系数c_l,design，

表征气动效率的气动性能特征参数和表征设计载荷的气动性能特征参数包括：设计点升力系数c_l,design、最大升阻比l/d_max、失速点最大升力系数c_l,max、设计点与失速点之间升力系数的平均变化率R_cl、设计点与失速点之间升阻比的平均变化率R_ld，

表征变工况条件影响的敏感性参数包括：最大升力系数随着表面粗糙的敏感性参数R_sf,cl、最大升阻比随着表面粗糙的敏感性参数R_sf,ld、最大升力系数随着雷诺数变化的敏感性参数R_rn,cl、最大升阻比随着雷诺数变化的敏感性参数R_rn,ld、最大升力系数随着来流湍流强度变化的敏感性参数R_ti,cl、最大升阻比随着来流湍流强度变化的敏感性参数R_ti,ld，

表征变工况条件影响的敏感性参数采用线性平均方法以相对变化率R的方式进行定义，各敏感性参数分别定义为：

其中，R_sf,ld为翼型的最大升阻比随表面粗糙变化的敏感性参数，R_sf,cl为翼型最大升力系数随着表面粗糙变化的敏感性参数，l/d_max,sf为变表面粗糙度下的最大升阻比，c_l,max,sf为变表面粗糙度下的最大升力系数；R_rn,ld为翼型的最大升阻比随雷诺数变化的敏感性参数，R_rn,cl为翼型最大升力系数随着雷诺数变化的敏感性参数，l/d_max,rn为变雷诺数下的最大升阻比，c_l,max,rn为变雷诺数下的最大升力系数；R_ti,ld为翼型的最大升阻比随入流湍流强度变化的敏感性参数，R_ti,cl为翼型最大升力系数随着入流湍流强度变化的敏感性参数，l/d_max,TI为变工况入流湍流强度下的最大升阻比，c_l,max,TI为变工况入流湍流强度下的最大升力系数，

翼型的基本气动力系数采用基于无粘势流-粘性边界层方程强耦合迭代方法，综合考虑设计工况条件和变工况条件计算得到；其中的自由来流湍流效采用基于线性小扰动理论的e^N自然转捩预测方法模拟，设计条件入流湍流强度设为0.07％，对应的扰动放大因子N＝9；变工况条件的湍流强度设为1％，对应的扰动放大因子N＝2.6；前缘粗糙效应采用设置固定转捩点的方式模拟，上表面固定转捩点设定为1％，下表面固定转捩点设定为10％，

基于设计工况条件以及非设计变工况条件下的翼型气动力系数，计算得到各参考翼型的各项气动性能特征参数并进行评估；

SS3.确定目标翼形的气动优化目标函数：

基于步骤SS2获得的各项气动性能特征参数的预评估结果，至少将表征气动效率的气动性能特征参数、表征设计载荷的气动性能特征参数以及表征变工况条件影响的敏感性参数设定为优化目标参数f_i；

基于各项优化目标参数f_i的量级大小，对各项优化目标参数f_i赋予归一化尺度因子s_i；

根据目标翼型设计需求侧重确定各项优化目标参数f_i的权重系数w_i；

根据各项优化目标参数f_i在优化过程中增减的期望，对各项优化目标参数f_i赋予期望系数e_i；

根据各项优化目标参数f_i以及其归一化尺度因子s_i、权重系数w_i、期望系数e_i，得到目标翼型的气动优化目标函数f，所述目标翼型的气动优化目标函数f的表达式如下：

f＝∑e_is_iw_if_i；

其中，

翼型优化目标参数f_i除至少包含表征气动效率的最大升阻比和表征设计载荷的设计升力系数外，还包含表征变工况条件影响的敏感性参数；

各项优化目标参数f_i中，最大升阻比和设计升力系数的期望系数均为+1，意味着期望这两个参数在优化过程中尽可能增大；而表征变工况条件的敏感性参数则均为-1，意味着期望优化过程可以降低翼型的最大升阻比、最大升力系数随运行条件变化的敏感性，使其在翼型前缘粗糙、运行雷诺数变化、入流湍流强度变化时更为稳定，此时翼型多工况优化目标函数表达式为：

f＝∑e_is_iw_if_i

＝s₁w₁c_l,max+s₂w₂l/d_max-s₃w₃R_ti,cl-s₄w₄R_ti,ld-s₅w₅R_sf,cl-s₆w₆R_sf,ld-s₇w₇R_rn,cl-s₈w₈R_rn,ld

其中，e_i为期望系数，s_i为归一化尺度因子，w_i为权重系数，c_l,max为最大升力系数，l/d_max为最大升阻比；

SS4.设定目标翼型的寻优空间和约束条件：

选择一与目标翼形的相对厚度基本相同的现有风力机翼型作为初始翼型，以翼型的几何特征参数作为目标翼型设计变量，根据所述初始翼型的几何特征及其叶片结构兼容性要求，设定目标翼型设计变量的上下界，所述目标翼型设计变量的上下界即为目标翼型的寻优空间和约束条件，其中，所述叶片结构兼容性要求为初始翼型和与其同一系列的其他厚度翼形的几何兼容性，至少包括最大厚度位置与尾缘厚度的几何兼容性；

SS5.迭代优化与评估：

采用全局性最优化方法对所述目标翼型的气动目标函数f进行迭代优化，得到目标翼型；其中每一步迭代优化过程中均至少包括翼型几何设计、多工况条件下的翼型气动性能计算、翼型气动性能评估过程。