低雷诺数风力机翼型性能分析与优化研究

摘要

风力发电技术是一种清洁无污染、环境效益好的可再生能源利用技术。近年来，中小型风力机技术越来越受到世界各国学者的关注和重视。风力机叶片作为获取风能的关键部件之一，其气动性能主要决定了整机效率和载荷特性。由于中小型风力机叶片工作雷诺数范围较低（通常指雷诺数小于5×105），翼型表面边界层流动常处于层流状态，抗逆压梯度能力较弱，容易过早产生流动分离，从而对翼型气动性能产生严重影响。本文针对雷诺数为1×105~5×105工况，开展低雷诺数风力机叶片翼型流动分离与气动特性分析及其优化设计研究，主要研究内容如下：
　　1.基于雷诺平均RANS方程和修正转捩模型，建立低雷诺数风力机翼型气动特性数值分析模型，将多种不同湍流模型计算结果与实验结果对比分析验证数值方法的适用性；研究了低雷诺数条件下多雷诺数多攻角翼型升阻气动特性；对翼型表面流动分离转捩进行深入分析，得到了翼型失速前和失速后翼型上下翼面转捩位置的变化规律；分析了低雷诺数翼型层流分离泡产生及其对气动性能的影响。
　　2.通过对低雷诺数流动翼型层流分离泡形成机理研究，分析了不同位置、形状和大小的翼型表面几何特征对低雷诺数翼型流动损失特性和对翼型气动性能的影响，揭示了低雷诺数层流分离泡形成机理，得到了表面几何特征对气动性能影响的规律。
　　3.建立基于改进的Hicks-Henne函数的风力机翼型几何外形参数化数学模型，通过拉丁超立方试验设计方法获取翼型族的设计空间，采用Kriging代理模型、遗传算法和NSGA-Π优化算法，耦合低雷诺数翼型流场分析，以单工况和多工况气动性能参数最大升阻比为目标，开展了考虑转捩的低雷诺数翼型单目标和多目标气动优化设计研究，提出了一种低雷诺数风力机翼型气动优化设计方法，为低风速小型风力机翼型开发与应用提供重要参考。

目录

声明

第1章 绪 论

1. 1 课题研究背景

1 .2 国内外研究现状

1 .3 课题来源以及本课题的主要研究内容

第2章低雷诺数风力机翼型气动特性数值分析

2 .1 数值分析方法

2 .2 流场模拟结果及分析

2 .3 本章小结

第3章表面几何特征对低雷诺数风力机翼型气动性能的影响

3 .1 翼型表面几何特征参数定义

3 .2 数值分析方法和网格模型

3 .3 层流分离泡预测

3 .4 含表面几何特征翼型层流分离泡分析

3 .5 本章小结

第4章考虑转捩的低雷诺数风力机翼型气动优化

4 .1 风力机翼型参数化建模

4 .2 优化算法

4 .3 翼型单目标与多目标气动优化方法及流程

4.4基于Kriging代理模型的低雷诺数翼型气动优化

4 .5 本章小结

第5章总结与展望

5.1 总结

5 .2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的成果及参与的项目