[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

说明书

本发明公开了一种高气动性能低噪声水平的风力机外侧翼型的优化设计方法，根据低风速区大型风电叶片展向外侧部位的性能需求，以翼型的最大升阻比、气动噪声总声压级为优化目标参数，并对翼型设计升力系数、最大升力系数、失速特性参数、表面粗糙稳定性以及入流湍流稳定性进行约束，建立翼型优化设计模型；进而将无粘‑粘性强耦合迭代气动预测方法、半经验噪声预测模型与最优化算法结合，形成了高性能、低噪声翼型优化方法。案例优化结果表明，采用本发明所提的方法在降低翼型气动噪声、提高翼型气动效率的同时，又确保了翼型气动力载荷特征以及气动性能在非设计工况条件下稳定性的改进，可以最终实现“高性能、低噪声”翼型优化设计。

技术领域

本发明属于风力机翼型设计技术领域，涉及一种风力机翼型的优化设计方法，具体涉及一种适用于低风速区的具有高气动性能、低气动噪声的风力机外侧翼型优化设计方法。

背景技术

风力机翼型的空气动力学性能优劣从根本上影响风电叶片的风能转换效率和载荷特性。因此，风力机专用翼型设计优化是提高风电叶片风能捕获效率与运行可靠性的基本方法。

我国风电产业发展迅速，目前累计装机容量已经连续多年位居世界第一位。随着风资源丰富的华北、东北、西北等内陆地区大量开发，近年来，海上地区与低风速地区风电开发已经成为我国风能利用的主要趋势。为降低发电成本，提高风资源利用率，海上风场风力机和低风速区风场风力机都要求有更长的叶片尺寸，以增加叶轮扫风面积。叶片尺寸的显著增长，除了使得叶片柔性增加，气动效率与载荷之间的矛盾更加突出外，叶片外侧部位尖速比也大幅度增加，使得叶片的气动噪声也更为显著。文献表明，叶片气动噪声源主要位于叶片外侧部位，噪声声压级随叶片尺度成对数增长规律。风能是一种环境友好型能量利用方式，气动噪声几乎是唯一的负面影响因素。尤其是对于我国广袤的华南、华东、华中地区等低风速区域而言，人口分布密集，风电场非常靠近与人们的居住区，风力机气动噪声将会对人们的日常生活与生产造成重大影响。因此、风电叶片降噪技术以及低噪声叶片设计技术是目前叶片设计研究的热点问题。

低噪声翼型设计优化技术是降低叶片气动噪声的基础有效手段之一。目前已有大量学者展开低噪声风力机翼型(尤其是叶片外侧薄翼型)设计与控制方法的研究。研究表明，低噪声翼型设计优化的难点在于表征翼型气动效率的最大升阻比和翼型的气动噪声总声压级一般呈正相关关系。也就是说，简单地降低翼型气动噪声总声压级往往使得翼型最大升阻比也随之降低；而单纯提高翼型最大升阻比也往往会使得总声压级增加。其内在机理在于，影响翼型最大升阻比最显著的参数是翼型相对弯度。较高的翼型弯度会带来更大的升阻比，但尾缘处流动分离也更为严重，分离流压力波动更为剧烈，导致气动噪声也更大。因此，有不少学者为提升翼型气动效率不得不允许翼型气动噪声略微增加。翼型声压级与升阻比的弱正相关性决定了采用传统的反设计方法无法有效实现其矛盾需求，必须借助于多目标优化设计方法，在翼型设计空间内充分探索，尤其是精细调节对翼型噪声声压级有非线性影响的几何特征参数(如尾缘厚度、前缘半径等)获得理想结果。目前已有学者采用数值优化方法以最大升阻比和噪声声压级为双目标实现了翼型气动效率的提升以及气动噪声的降低，但是以牺牲其他重要性能为条件，如失速特性、前缘粗糙敏感性等等。另有学者提出了考虑翼型多学科性能特征参数的综合优化设计方法实现了外侧翼型气动-结构-噪声等整体性能的提升。但是由于该优化过程是一个多参数平衡的过程，其优化模型无法保证最终结果的气动声压级的降低；设计得到的翼型最大升阻比和声压级往往同时提高。因此需要更有效的优化设计方法获得高气动性能的低噪声翼型。

发明内容

鉴于以上问题，本发明根据低风速区风场中风力机叶片独特性能需求，建立外侧翼型优化设计模型，旨在采用双目标优化方法实现翼型低噪声与高气动效率的同时，对翼型的设计升力系数、最大升力系数、失速特性参数、表面粗糙稳定性及入流湍流稳定性进行约束保证翼型的其他重要气动特征，形成具备高气动性能和低气动噪声水平的风力机外侧翼型优化设计方法。

本发明为实现其技术目的是通过以下技术方案实现的：