风力发电机翼型多目标优化设计方法研究

摘要

风力发电技术是一种污染少、成本低的可再生能源利用技术，具有良好的发展前景和经济价值，已受到全球越来越多国家的关注。叶片是风力发电机捕获风能的重要装置，其生产成本大约占风力发电机总价值的五分之一，而翼型是叶片沿展向位置最基本的组成要素，翼型外形型线的几何形状将直接影响到叶片的气动特性的优劣，因此，改善翼型几何外形形状，优化设计出适用于风力发电机专用的翼型，对提高风电机的风能利用率、促进我国风电产业的发展有着重大意义。
　　本文基于目前风力发电机翼型气动外形的优化设计需求及优化研究中存在的问题，建立了径向基函数模型耦合多目标粒子群优化算法的翼型多目标（多工况）优化设计方法（RBF-MOPSO）。首先，利用最优拉丁超立方设计(OptLHD)在翼型几何外形的设计空间内获取更加均匀的翼型样本，在翼型外形型线的参数化建模中，改进的Hicks-Henne型函数可改善翼型样本在翼型后缘处几乎重叠的问题，以此得到表征更加完备的翼型参数化模型;然后，利用CFD计算流体动力学方法对翼型气动性能进行求解计算，并将计算结果与实验数据进行对比，验证了CFD方法的准确性，通过建立径向基函数(RBF)模型代替复杂且耗时的翼型气动特性分析模型，提高翼型气动外形的优化效率，最后，利用多目标粒子群优化算法(MOPSO)对建立的翼型优化模型进行优化，以获取翼型在设计空间内的全局最优解。在翼型气动外形优化设计的过程中，本文以翼型的主要气动性能参数升力系数Cl及升阻比Cl/Cd为优化目标，以翼型参数化建模中的控制参数Ck为设计变量，利用RBF-MOPSO方法分别对传统翼型NACA4418及专用翼型FFA-W3-301进行单目标及多目标优化，并利用CFD数值计算方法求解优化后翼型外部流场，获取翼型气动性能数据，将优化结果与CFD求解结果对比，通过对比结果表明:翼型气动性能参数升力系数Cl及升阻比Cl/Cd均有所提高，且误差较小，验证了本文所建立的RBF-MOPSO模型在翼型优化设计过程中具有一定的有效性及实用性，利用该方法可获得气动性能更佳的风力发电机翼型，也为风力发电机专用翼型气动性能的优化研究提供了有效手段。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外相关课题的研究现状

1．2．1 国外风力发电机专用翼型的研究现状

1．2．2 国内风力发电机专用翼型的研究现状

1．3 课题的研究目的和意义

1．4 课题研究内容及工作安排

第二章 风力发电机翼型空气动力学理论分析

2．1 翼型几何外形的特性参数

2．2 翼型的空气动力特性

2．2．1 翼型的空气动力学特性参数

2．2．2 翼型的流体边界层理论

2．3 影响翼型空气动力特性的主要因素分析

2．4 课题研究的风力发电机翼型建立

2．5 本章小结

第三章 翼型的参数化建模与气动性能求解

3．1 翼型几何外形的参数化表征

3．1．1 常用的翼型参数化表征方法

3．1．2 改进Hicks-Henne型函数的翼型参数化建模

3．2 冀型气动性能的求解

3．2．1 引言

3．2．2 翼型数值求解模型的控制方程

3．2．3 翼型流场的网格划分与边界条件

3．2．4 翼型流场数值计算结果分析及验证

3．3 本章小结

第四章 翼型优化设计方法的建立

4．1 引言

4．2 多目标优化问题

4．3 近似模型方法

4．3．1 拉丁超立方设计方法

4．3．2 径向基函数模型

4．4 多目标粒子群优化算法

4．5 翼型优化设计模型

4．6 本章小结

第五章 翼型优化算例分析

5．1 引言

5．2 翼型单目标优化算例

5．3 翼型多目标优化算例

5．3．1 NACA4418翼型多目标优化

5．3．2 FFA-W3-301翼型多目标优化

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文