浮式海上风力机试验模型叶片优化设计与性能研究

摘要

在对浮式风力机进行水池模型试验时,尺度效应使试验叶片的风轮推力不能满足弗汝德数相似条件。本文首先从Π定理出发推导了浮式风力机水池试验中应满足的相似关系,并选取美国可再生能源试验室发布的5MW风力机,以1:50为几何缩尺比,计算了模型风力机的设计参数。随后使用 XFOIL软件计算了六种翼型在原型和模型雷诺数下的升、阻力系数。通过对比发现,从原型叶片到模型叶片,雷诺数的变化使升力系数下降,阻力系数上升,这是尺度效应产生的原因。使用动量叶素理论计算对比了原型叶片与模型叶片的风轮推力。结果表明,模型叶片的实际推力值远低于目标值。为此,需要对试验叶片进行重新设计。
　　设计分为两个步骤,第一步为翼型选择,通过计算 NACA4412翼型的升、阻力系数,并对比NACA64-618单翼型叶片和NACA4412单翼型叶片的风轮推力,选定 NACA4412翼型作为叶片进一步设计的基础;第二步为优化模型的建立,使用多项式拟合弦长和安装角沿径向的分布,选择多项式系数作为优化变量,以实际推力值达到目标推力值为优化目标,合理设定约束条件,建立优化数学模型。使用MATLAB软件自带的优化工具箱模矢搜索(pattern search),对优化模型进行了求解。结果表明,优化后的叶片在试验风速下,风轮推力可以达到满足弗汝德数相似的目标推力值,从而得到了能较准确模拟风轮推力的试验用叶片。
　　出于结构方面的考虑,本文又进一步探讨了如何使用混合翼型设计叶片,计算并对比了四款试验叶片的风轮推力和转动惯量。针对这一套设计和计算叶片气动载荷的方法,本文对其中的难点升、阻力系数的计算和风轮推力的计算进行了可信度分析。最后,考虑到风力机不同的试验阶段可能会选用不同的几何缩尺比,本文通过计算翼型升、阻力系数和推力系数,给出了风力机叶片临界雷诺数的大概范围。

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目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 前沿介绍

1.3 论文重点

1.4 论文的内容安排

1.5 本章小结

第2章 相似理论

2.1 相似常数，Π定理和相似准数

2.2 相似条件

2.3 物理量换算关系

2.4 本章小结

第3章 动量叶素理论

3.1 BEM理论基本原理

3.2 升、阻力系数计算

3.3 风轮推力计算

3.4 本章小结

第4章 模型试验叶片优化

4.1 翼型选取

4.2 最优化介绍

4.3 优化模型建立

4.4 优化模型求解

4.5 本章小结

第5章 混合翼型优化和叶片对比

5.1 混合翼型叶片优化

5.2 叶片对比分析

5.3 本章小结

第6章 可信度分析和临界雷诺数

6.1 升、阻力系数可信度分析

6.2 风轮推力可信度分析

6.3 临界雷诺数计算

6.4 本章小结

第7章 结论

7.1 结论

7.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表或录用的论文

致谢