[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

说明书

本发明公开了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，根据实际风场中叶片翼型来流的高湍流特性，将入流湍流强度对翼型气动效率、载荷等的影响参数化，建立最大升阻比和最大升力系数的敏感性参数，再以权重系数法结合翼型效率与载荷参数、表面粗糙敏感性以及雷诺数效应等目标参数，形成了翼型多工况气动优化模型，并结合遗传算法构建了翼型气动优化方法。基于数值模拟与评估表明，采用本发明所提出的翼型气动优化方法，在保持高设计升力系数、提高最大升阻比同时，显著降低了翼型气动性能随着自由来流湍流强度变化的敏感性参数；另外翼型的最大升力系数得到了有效限制，失速过程更为平缓。

技术领域

本发明属于风力机翼型设计领域，涉及一种风力机翼型的气动优化方法，具体涉及适用于高湍流自由来流风场中具有气动性能低敏感性的风力机翼型优化设计方法。

背景技术

翼型是风电叶片的展向设计元素。翼型空气动力学性能的优劣从根本上决定了风电叶片的风能转换效率和载荷特性。因此，从二维翼型的角度研究各种入流条件下边界层发展规律，研发出气动性能优异的风力机翼型，是实现风电叶片在复杂风场环境下高效、稳定、安全运行的基本手段。

自20世纪80年代以来，研发人员设计出多种通用型风力机翼型系列并逐步取代了航空翼型在水平轴风力机上的应用。这些风力机翼型是基于运行在大气边界层底层的风电叶片和运动在高层稳定大气层中的机翼的流动差异专门设计得到；另一方面，随着风电产业的发展，翼型气动目标也随着风电叶片的功率控制类型、人们对于叶片流动机理的认识水平、设计技术的进步而不断丰富和深化。例如，为保证实际风场中复杂风况条件下的发电量，对于风力机翼型的气动优化目前至少达到了以下共识：1)在设计条件下具有高气动效率，2)非设计攻角下气动力波动小，3)最大升力系数随前缘粗糙具有低敏感性等。

风场实测表明，具有低前缘粗糙敏感性的风力机专用翼型有效提高了风场的发电量(30％以上)。但风场实测的风力机运行功率曲线仍与设计条件下的静态功率曲线存在较大差距。其原因在于复杂风场条件下的风电叶片多尺度流动因素相互耦合，使得叶片无法稳定运行在“设计条件”下；例如运行攻角、运行雷诺数、表面粗糙状况、入流湍流强度等均与设计条件存在较大差异。从翼型的角度分析，表面粗糙导致的强制转捩可使翼型最大升阻比下降50％左右，因此低前缘粗糙敏感性一直是风力机翼型的关键优化目标；近年来有学者进一步将雷诺数效应导致的翼型气动力变化作为优化目标，以提高叶片气动载荷稳定性。但是对于翼型流动边界层转捩和分离具有重要影响的自由来流湍流扰动，至今尚没有将其考虑到翼型设计之中。

目前风力机翼型气动设计通常基于均匀自由来流假设(设定为极低自由来流湍流水平，一般为0.1％以下，对应为自然转捩模式)；而用于叶片设计的翼型数据也是低湍流风洞中测量结果，所对应的入流湍流强度一般在0.5％以下，纯净的低速风洞甚至可以低至0.07％。而实际风场中自由来流湍流强度则高达10％以上；即便对处于额定风速以上运行的多兆瓦级叶片外侧翼型来说，其入流湍流强度也可达到1％～2％的水平，远高于设计时的入流湍流强度。风洞试验和数值模拟均表明，高湍流自由来流对翼型边界层的转捩模式(自然转捩或旁路转捩)、发展方式以及分离点的位置存在显著影响，进而对翼型的气动力系数则存在负面效应。例如，评估表明，对于通用型叶片外侧翼型而言，当自由来流湍流强度自0.1％增加至1％左右时，翼型的最大升阻比可下降25％，最大升力系数可下降5％。更为重要的是，自由来流湍流具有时空的非定常性和不确定性，以极低自由来流湍流扰动为设计条件的翼型在高扰动条件下的实际风场中不仅会导致叶片的气动效率偏低，疲劳载荷增加，更会使得叶片极限载荷具有不可预测性。为提高叶片在实际风场条件下的风能捕获效率，降低运行安全风险，必须将高湍流自由来流对翼型气动性能的影响考虑到风力机翼型的优化设计之中，发展风力机翼型气动优化模型和优化设计方法。

发明内容