[发明专利]一种高气动性能低噪声水平风力机外侧翼型的优化设计方法

权利要求书

1.一种高气动性能低噪声水平风力机外侧翼型的优化设计方法，根据风力机叶片的气动性能需求和噪声水平要求，以外侧翼型的最大升阻比和气动噪声总声压级作为优化目标，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

SS1.确定目标外侧翼型的最大相对厚度及其设计工况条件，所述设计工况条件至少包括切入切出风速之间的运行攻角范围、运行雷诺数条件；

根据目标外侧翼型的最大相对厚度，选择一最大相对厚度与目标外侧翼型基本相同的翼型作为初始翼型；

SS2.确定目标外侧翼型的优化目标函数F：

所述优化目标函数F至少包括表征翼型气动效率的最大升阻比l/d_max和表征翼型自噪声水平的翼型气动噪声总声压级S_pl,total两项优化目标参数，

所述翼型气动噪声总声压级S_pl,total由设计工况下10Hz～20000Hz频率范围内离散频率处的声压级进行对数叠加得到，至少包括翼型湍流边界层尾缘噪声的声压级、分离流噪声的声压级、层流边界层涡脱落噪声的声压级、钝尾缘噪声的声压级、湍流入流噪声的声压级，

根据目标外侧翼型的设计需求侧重分别确定各项优化目标参数的权重系数，根据量级大小分别确定各项优化目标参数的归一化尺度因子，根据在优化过程中增减的期望分别确定各项优化目标参数的期望系数，

所述优化目标函数F的表达式为F＝∑e_iw_is_if_i，

其中，f_i为各项优化目标参数，e_i为各项优化目标参数的期望系数，w_i为各项优化目标参数的权重系数，s_i为各项优化目标参数的归一化尺度因子；

并且其中，所述优化目标函数F为最大型目标函数F_MAX，优化目标参数中期望翼形的最大升阻比l/d_max在优化过程中增加，设定其期望系数为﹢1，期望翼型气动噪声总声压级S_pl,total在优化过程中降低，设定其期望系数为﹣1，最大型目标函数F_MAX为F_MAX＝w₁s₁l/d_max-w₂s₂S_pl,total，其中，w₁、w₂分别为最大升阻比l/d_max、翼型气动噪声总声压级S_pl,total的权重系数，且w₁+w₂＝100、w₁w₂；s₁、s₂分别为最大升阻比l/d_max、翼型气动噪声总声压级S_pl,total的归一化为尺度因子，s₁、s₂分别根据最大升阻比l/d_max、翼型气动噪声总声压级S_pl,total的量级大小确定；

SS3.确定目标外侧翼型的约束参数体系，所述约束参数体系至少包括表征翼型设计工况下的气动载荷特性参数以及表征翼型气动力特征随非设计工况变化的稳定性参数；所述表征翼型气动力特征随非设计工况变化的稳定性参数至少包括：表征失速后翼型气动力特征随攻角波动的失速特征参数M_stallx、表征翼型气动载荷与效率随叶片表面粗糙状况变化稳定性的最大升力系数c_l,max与最大升阻比l/d_max的表面粗糙敏感性参数S_cl,S_ld，表征翼型气动载荷与效率随自由来流湍流度变化稳定性的最大升力系数c_l,max与最大升阻比l/d_max的自由来流湍流敏感性参数T_cl,T_ld，其中，

所述失速特征参数M_stallx采用失速后某一攻角处的升力系数相对于失速攻角处最大升力系数的变化量与升力系数的平均变化率的乘积定义；表面粗糙稳定性参数S_cl,S_ld，自由来流湍流稳定性参数T_cl,T_ld均采用设计条件下特征参数与非设计条件下相应参数的相对变化率的形式定义，四种参数的表达式分别为：

其中c_l,max,ft,l/d_max,ft为粗糙表面对应的固定转捩条件下的最大升力系数和最大升阻比，c_l,max,TI,l/d_max,TI为某一高湍流度自由来流下的最大升力系数和最大升阻比；

SS4.以翼型的几何特征参数作为目标外侧翼型的设计变量，至少根据初始翼型的几何特征与结构兼容性要求，确定目标外侧翼型的几何设计空间；

SS5.采用多目标最优化算法对优化目标函数F进行迭代优化，在每一步迭代优化过程中均需对翼型的气动性能与气动噪声特性进行计算，通过分析翼型的气动性能和气动噪声特性，判断优化目标函数F是否达到最优解，最终得到目标外侧翼型。