基于遗传算法的风机叶片的优化设计和建模

摘要

“能源问题”已经成为人们普遍关注的问题，世界各地对可再生能源的发展非常的重视，在长期的探索中，人们发现风能是一种很重要的可再生能源，作为“绿色能源”的风能，由于它取之不尽，用之不竭，所以在近几年得到了非常迅猛的发展，世界上不少国家都把开发和利用风能作为一项重要的能源。作为消费大国的中国，近年来由于国家的大力投资和技术支持，风电产业也得到了快速发展。
　　风力发电的原理在于:将风能转换成机械能，再由机械能转化为电能，它实际上也就是以风能为动力，风力机叶片为工作介质进行发电。风力机叶片的设计可以分为两个阶段:风机叶片的气动设计和结构设计，本论文仅仅涉及了叶片的结构设计。提高风力机的发电效率，主要要解决叶片翼型的结构，如果风机叶片翼型结构合理，其就能够应对不同环境下的气流流动，而使得风力机组的工作效率提高，本论文对现有的风机叶片结构进行了分析，结合空气动力学的有关理论，在明确叶片设计的基本的前提之下，包括材料、工艺、风力资源、工作环境等，尤其是要在明确该前提与现有设计之间的关系之下，仿生类比了鞘翅类动物减粘降阻的体表特性，设计出波纹形仿生风机叶片优化模型，并对此模型用遗传算法进行优化求解，得到不同类型的气流下，该模型的优化解。
　　本文的第一章为绪论。在这一章首先介绍了世界各国风力发电的现状和目前中国风电产业的发展现状，其次介绍了本文选题的意义和本文的研究成果。第二章为预备知识和基本原理与假设。重点介绍了最优化问题的一些基本概念和遗传算法的基本步骤和关键的编码技术，然后对本文所设计的波纹形放生风机叶片的减粘降阻原理做了详细的介绍，也就是鞘翅类动物的减粘降阻功能主要是由于该类动物有着特殊的几何形体表，除此之外还有它们体表的物质构成和体表的特殊分泌物质等，其减粘降阻的原理是，由于具有了这种几何形体表，所以使得它们与外界的障碍物质接触面积减少，接触面积减少后，体表与障碍物质之间的摩擦阻力就会变小，仿生类比之后，对于风机叶片，影响其变形程度的主要因素就是叶片与气流的接触面积，然而接触面积是由风机叶片自身的几何特性所决定的，于是设计出波纹形仿生风机叶片。第三章为仿生风机叶片表面的数学描述式和波纹形曲面的表面积的计算。首先，仿生类比蜣螂鞘翅建立波纹形曲面的数学描述式，然后求解该波纹形曲面的叶片与气流的接触面积。第四章为非凸优化模型与遗传算法求解。在本章根据前一章的面积计算公式以及所研究问题的实际背景情况，建立了非凸优化模型，确定了参数θ，r的取值范围，然后借助遗传算法在解决复杂优化问题全局解中显现出来的优势，对非凸非光滑模型进行优化求解，最终设计出了在不同风模型下具有减粘功能的曲面仿生叶片。接着是为实算结果与分析总结:实算中首先给定仿生叶片的长和宽分别为a=100cm、b=20cm，给定仿生风机叶片前端平面部分宽度为c=10cm，然后求得在三种气流类型下的承载力w、θ、r、n和气流与风机叶片的接触面积的关系，从而得到了波纹形曲面仿生风机叶片的最优化模型。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的研究背景

1．2 本课题的研究意义及主要研究成果

1．2．1 本文的研究意义

1．2．2 本文的主要研究成果

2 预备知识和基本原理假设

2．1 约束最优化问题

2．2 遗传算法

2．2．1 遗传算法的一般步骤

2．2．2 遗传算法关键技术

2．3 基本原理与假设

2．3．1 基本原理

2．3．2 基本假设

2．3．3 气流对部件的正压力计算公式

3 仿生风机叶片表面的数学描述式和波纹曲面面积计算

3．1 波纹形曲面的数学描述式

3．1．1 曲面和波纹方程

3．1．2 波纹型曲面的数学描述式

3．2 求解风机叶片与气流的接触面积

3．2．1 风机叶片各部分的接触面积

4 非凸优化模型与遗传算法求解分析

4．1 波纹形曲面仿生风机片模型的数学建模

4．2 求解非凸非光滑波纹形曲面仿生风机叶片优化模型的遗传算法

4．3 实算分析

4．4 结果总结

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果