一種風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法，以三維葉片泛函集成表達(dá)式為出發(fā)點(diǎn)，此表達(dá)式將翼型參數(shù)表達(dá)及葉片三維形狀表達(dá)集成于一體，能夠很好的實(shí)現(xiàn)翼型與葉片并行設(shè)計(jì)；然后分別建立翼型設(shè)計(jì)模塊和葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)模塊，這兩個(gè)模塊之間通過(guò)氣動(dòng)力插值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞機(jī)制；最后，采用MATLAB語(yǔ)言編制并行設(shè)計(jì)策略，制定收斂策略，若滿足收斂條件則輸出新翼型族及葉片氣動(dòng)外形數(shù)據(jù)，否則，返回開(kāi)始程序。本發(fā)明突破傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)葉片串行設(shè)計(jì)方法，基于葉片三維集成數(shù)學(xué)表達(dá)方程，將翼型廓線與葉片氣動(dòng)外形參數(shù)聯(lián)立起來(lái)，通過(guò)MATLAB并行計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)翼型與葉片并行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)翼型及葉片形狀設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用并行計(jì)算進(jìn)行風(fēng) 力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)新方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于風(fēng)力機(jī)翼型及葉片形狀設(shè)計(jì)方面的研究，目前國(guó)內(nèi)外大多針對(duì)特定的風(fēng)力機(jī) 翼型所構(gòu)造的葉片外形參數(shù)進(jìn)行局部改良和修型，以獲得較高的性能。丹麥Ri?實(shí)驗(yàn)室的 Peter Fuglsang考慮葉片的年發(fā)電量、極端載荷以及疲勞強(qiáng)度，以風(fēng)力機(jī)單位發(fā)電量成本 為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)某1.5MW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果表明單位發(fā)電量成本降低了 3.5%。意大利學(xué)者Ernesto Benini以年發(fā)電量密度及發(fā)電成本為雙目標(biāo)函數(shù)，基于氣動(dòng)彈 性模型及葉素動(dòng)量理論，對(duì)失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，并得出Pareto解。2012 年Kevin Maki等綜合考慮能量成本、年發(fā)電量及葉片載荷等，運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)風(fēng)輪 進(jìn)行了分級(jí)優(yōu)化與設(shè)計(jì)，并通過(guò)靈敏度分析對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。2013年Xionwei Liu等對(duì) 固定槳距角、固定風(fēng)速條件下風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了葉片弦長(zhǎng)及扭角線性化處理，并對(duì)葉片弦長(zhǎng)和 扭角的斜率進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果表明，相比原始葉片，優(yōu)化后的風(fēng)輪年發(fā)電量提高了 3.33%，而且由于葉片弦長(zhǎng)、扭角進(jìn)行了線性斜率優(yōu)化其材料及制造成本明顯降低。重慶大 學(xué)王旭東等基于改進(jìn)的葉素動(dòng)量理論，推導(dǎo)出了新的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷的計(jì)算模型，通過(guò)實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了該計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，并以葉片的弦長(zhǎng)、扭角及厚度為設(shè)計(jì)變量，以年發(fā) 電量成本作為目標(biāo)函數(shù)，建立了葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用該模型對(duì)某2MW風(fēng)輪進(jìn)行了 優(yōu)化設(shè)計(jì)。上述資料從不同方面對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，通過(guò)對(duì)葉片氣動(dòng)外形 參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)與修正來(lái)提高風(fēng)力機(jī)的效率，并考慮了氣動(dòng)載荷、葉片質(zhì)量、發(fā)電量成本等多 學(xué)科因素，取得了較好的效果。但大都是基于特定的翼型，并沒(méi)有將翼型與葉片外形參數(shù) (如葉片弦長(zhǎng)、扭角及翼型沿展向分布等)結(jié)合起來(lái)并行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，難以取得突破性的進(jìn) 展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種采用并行計(jì)算進(jìn)行風(fēng)力機(jī)翼型與葉片 外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)新方法。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法， 其特征在于，包括以下步驟：
[0005] 步驟1:基于三維葉片泛函集成表達(dá)式，將翼型參數(shù)表達(dá)及葉片三維形狀表達(dá)集成 于一體，構(gòu)建三維葉片集成表達(dá)式；
[0006] 步驟2:分別建立翼型設(shè)計(jì)模塊和葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)模塊，這兩個(gè)模塊之間通過(guò)氣 動(dòng)力插值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞機(jī)制；
[0007] 步驟3:并行設(shè)計(jì)；
[0008] 步驟4:判斷翼型設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)與葉片設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)是否收斂；
[0009] 若否，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述步驟1;
[0010] 若是，則輸出新翼型族及葉片氣動(dòng)外形數(shù)據(jù)。
[0011] 作為優(yōu)選，步驟1中所述三維葉片集成表達(dá)式為：
[0013] 其中，X為翼型橫坐標(biāo)，y為翼型縱坐標(biāo)，z為空間三維葉片沿展向坐標(biāo);a為1/4翼型 弦長(zhǎng);R為葉片半徑，r為翼型矢徑;Xm為翼型氣動(dòng)中心展向位置;u為葉片展向位置，ue[0， 1] ;c(u)為弦長(zhǎng)分布函數(shù);β(ιι)為扭角分布函數(shù)；
[0014] 所述三維葉片集成表達(dá)式能表征任意可能的葉片幾何形狀的集成：即集成葉片的 空間坐標(biāo)翼型分布、葉片弦長(zhǎng)分布、葉片扭角分布。
[0015] 作為優(yōu)選，步驟2中采用泛函集成理論作為翼型設(shè)計(jì)模塊，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子 步驟：
[0016]步驟A1:確定翼型集成公式；
[0020] 式中，X為翼型橫坐標(biāo)，y為翼型縱坐標(biāo);r為翼型的矢徑；勿巧為翼型控制方程函 數(shù);ak、bk為系數(shù)，Θ為幅角，a為1/4翼型弦長(zhǎng)；
[0021] 步驟A2:確定目標(biāo)函數(shù)；
[0022] 以各翼型最大升阻比作為翼型設(shè)計(jì)模塊目標(biāo)函數(shù)，以光滑條件下升阻比最大為目 標(biāo)函數(shù)之一：
[0023] fi(x) =max(CL/CD);
[0024] 其中Cl為升力系數(shù)，CD為阻力系數(shù)；
[0025] 步驟A3:確定設(shè)計(jì)變量；
[0026] 選取翼型控制方程函數(shù)φ(θ)的第1到第8項(xiàng)系數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，確定設(shè)計(jì)變 量為：
[0027] Xi= (ai，bi，a2，b2，a3，b3，a4，b4);
[0028] 步驟A4:確定約束條件；
[0029] 對(duì)翼型控制方程函數(shù)前8項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行約束，其約束條件如表1:
[0030] 表1設(shè)計(jì)變量范圍
[0032]對(duì)翼型最大相對(duì)厚度進(jìn)行約束，其最大相對(duì)厚度分別約束在40%、35%、30%、 25%、21%、18% 及 15%。
[0033]作為優(yōu)選，步驟2中所述葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)模塊，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟： [0034]步驟B1:基于動(dòng)量葉素理論，確定功率系數(shù)；
[0041] Cn=Ci cos Φ+Cd sin Φ ;
[0042] Y2 = 4Fsin Φ cos Φ/(〇Ct Fi)；
[0043] Ct = Ci sin Φ _Cd cos Φ ;
[0044] o = Bc/(2JT；r);
[0045] 式中，λ為葉尖速比;R為風(fēng)輪半徑;a為軸向誘導(dǎo)因子，a'為周向誘導(dǎo)因子;Cn為法 向力系數(shù);C t為徑向力系數(shù);B為葉片個(gè)數(shù);c為葉片某截面弦長(zhǎng);r為葉片某截面半徑；Φ為 葉素入流角；
[0046]步驟B2:確定目標(biāo)函數(shù)；
[0047] 以風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)最大作為葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)：
[0048] Fi(X) =max(Cp)；
[0049] 步驟B3:確定設(shè)計(jì)變量；
[0050]選取葉片的弦長(zhǎng)、扭角作為設(shè)計(jì)變量;采用樣條曲線控制點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量點(diǎn)，弦長(zhǎng) 和扭角各8個(gè)；
[0051]步驟Μ:確定約束條件；
[0052] 其約束條件如表2:
[0053] 表2設(shè)計(jì)變量的約束范圍
[0055]作為優(yōu)選，步驟3中所述并行設(shè)計(jì)，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：
[0056]步驟3.1:編制三維葉片集成表達(dá)主程序；
[0057]步驟3.2:編制兩個(gè)子程序模塊，分別為翼型設(shè)計(jì)模塊和葉片外形設(shè)計(jì)模塊;采用 MATLAB自帶優(yōu)化算法進(jìn)行子程序優(yōu)化；
[0058]步驟3.3:基于動(dòng)量葉素理論編制氣動(dòng)力插值程序，將優(yōu)化中的翼型氣動(dòng)力插值到 葉片外形中，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)力耦合傳遞機(jī)制，變化的翼型產(chǎn)生變化的氣動(dòng)力，從而又影響葉片外 形；
[0059] 步驟3.4:開(kāi)啟1&^1&13并行計(jì)算環(huán)境：
[0060] 步驟3.5:在優(yōu)化過(guò)程中，采用Farfor循環(huán)語(yǔ)句與向量化代碼實(shí)現(xiàn)并行加速，用了 parfor之后，輸出參數(shù)用nargout確定。
[0061] 作為優(yōu)選，步驟4中所述判斷翼型設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)與葉片設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函 數(shù)是否收斂，是判斷翼型設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)與葉片設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到極大 值。
[0062]本發(fā)明專(zhuān)利的有益效果：
[0063] (1)本發(fā)明突破傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)葉片串行設(shè)計(jì)方法，基于葉片三維集成數(shù)學(xué)表達(dá)方 程，將翼型廓線與葉片氣動(dòng)外形參數(shù)聯(lián)立起來(lái)，通過(guò)MATLAB并行計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)翼型與葉片 并行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0064] (2)通過(guò)并行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化得到了7種高性能翼型族及一款新型風(fēng)力機(jī)葉片，該 翼型族及葉片可取代現(xiàn)有風(fēng)力機(jī)翼型及葉片，為實(shí)現(xiàn)翼型及葉片自主研發(fā)制造奠定基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0065]圖1:本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；
[0066] 圖2(a):本發(fā)明實(shí)施例的新設(shè)計(jì)翼型族示意圖；
[0067] 圖2(b):本發(fā)明實(shí)施例的新翼型輪廓線示意圖；
[0068] 圖3:本發(fā)明實(shí)施例的WQ-PC150翼型與NACA-64-415氣動(dòng)特性對(duì)比示意圖，其中（a) 為升力系數(shù)示意圖，（b)為升阻比示意圖；
[0069] 圖4:本發(fā)明實(shí)施例的葉片弦長(zhǎng)分布不意圖；
[0070] 圖5:本發(fā)明實(shí)施例的葉片扭角分布示意圖；
[0071] 圖6:本發(fā)明實(shí)施例的功率系數(shù)分布示意圖；
[0072] 圖7:本發(fā)明實(shí)施例的年均發(fā)電量分布示意圖；
[0073]圖8:本發(fā)明實(shí)施例的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0074] 為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā) 明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0075] 本發(fā)明開(kāi)展風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能與葉片曲面外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)新方法。在葉片 三維曲面集成表達(dá)模型的基礎(chǔ)上，將翼型參數(shù)化設(shè)計(jì)理論耦合到葉片三維曲面集成表征式 中，基于動(dòng)量葉素理論，構(gòu)建耦合翼型廓線泛函氣動(dòng)設(shè)計(jì)與葉片曲面幾何形狀參數(shù)設(shè)計(jì)的 數(shù)學(xué)模型，同時(shí)結(jié)合多學(xué)科優(yōu)化思想，對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型與葉片曲面幾何參數(shù)進(jìn)行并行協(xié)同設(shè) 計(jì)與優(yōu)化。
[0076] 請(qǐng)見(jiàn)圖1，本發(fā)明提供的一種風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法，包括以 下步驟：
[0077]步驟1:基于三維葉片泛函集成表達(dá)式，將翼型參數(shù)表達(dá)及葉片三維形狀表達(dá)集成 于一體，構(gòu)建三維葉片集成表達(dá)式；
[0078]葉片截面形狀有翼型廓線決定，再考慮沿葉片弦長(zhǎng)、扭角沿展向分布，通過(guò)三維坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得三維葉片集成表達(dá)式為：
[0080] 其中，X為翼型橫坐標(biāo)，y為翼型縱坐標(biāo)，z為空間三維葉片沿展向坐標(biāo);a為1/4翼型 弦長(zhǎng);R為葉片半徑，r為翼型矢徑;Xm為翼型氣動(dòng)中心展向位置;u為葉片展向位置，ue[0， 1] ;c(u)為弦長(zhǎng)分布函數(shù);β(ιι)為扭角分布函數(shù)；
[0081] 所述三維葉片集成表達(dá)式能表征任意可能的葉片幾何形狀的集成：即集成葉片的 空間坐標(biāo)翼型分布、葉片弦長(zhǎng)分布、葉片扭角分布。
[0082] 步驟2:分別建立翼型設(shè)計(jì)模塊和葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)模塊，這兩個(gè)模塊之間通過(guò)氣 動(dòng)力插值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞機(jī)制；
[0083]相關(guān)資料已經(jīng)對(duì)翼型參數(shù)化表達(dá)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，本發(fā)明采用泛函集成理論作 為翼型設(shè)計(jì)模塊，實(shí)際上該模塊已經(jīng)集成到三維葉片集成表達(dá)式中，這里單獨(dú)將其列出來(lái)。 [0084]其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：
[0085]步驟Α1:確定翼型集成公式；
[0089] 式中，X為翼型橫坐標(biāo)，y為翼型縱坐標(biāo);r為翼型的矢徑；爐(的為翼型控制方程函 數(shù);ak、bk為系數(shù)，Θ為幅角，a為1/4翼型弦長(zhǎng)；
[0090] 步驟A2:確定目標(biāo)函數(shù)；
[0091 ]由于風(fēng)輪性能很大程度上取決于翼型的升阻比，因此，以各翼型最大升阻比作為 翼型設(shè)計(jì)模塊目標(biāo)函數(shù)，在雷諾數(shù)為Re = 3.0X106,馬赫數(shù)Ma = 0.15的條件下，設(shè)計(jì)攻角為 6°情況下，以光滑條件下升阻比最大為目標(biāo)函數(shù)之一：
[0092] fi(x) =max(CL/CD);
[0093] 其中Cl為升力系數(shù)，CD為阻力系數(shù)；
[0094] 步驟A3:確定設(shè)計(jì)變量；
[0095] 選取翼型控制方程函數(shù)φ(θ)的第1到第8項(xiàng)系數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，確定設(shè)計(jì)變 量為：
[0096] Xi= (ai，bi，a2，b2，a3，b3，a4，b4);
[0097] 步驟A4:確定約束條件；
[0098] 對(duì)翼型控制方程函數(shù)前8項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行約束，其約束條件如表1:
[0099] 表1設(shè)計(jì)變量范圍
[0101] 另外，需對(duì)翼型最大相對(duì)厚度進(jìn)行約束，由于本發(fā)明是對(duì)整個(gè)葉片翼型進(jìn)行設(shè)計(jì)， 其最大相對(duì)厚度分別約束在40%、35%、30%、25%、21 %、18%及15%左右。
[0102] 葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)模塊，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：
[0103]步驟B1:基于動(dòng)量葉素理論，確定功率系數(shù)；
[0110] Cn=Ci cos Φ+Cd sin Φ ;
[0111] Y2 = 4Fsin Φ cos Φ/(〇Ct Fi);
[0112] Ct = Ci sin Φ _Cd cos Φ ;
[0113] o = Bc/(2JT；r);
[0114] 式中，λ為葉尖速比；R為風(fēng)輪半徑;a為軸向誘導(dǎo)因子，a'為周向誘導(dǎo)因子;Cn為法 向力系數(shù);C t為徑向力系數(shù);B為葉片個(gè)數(shù);c為葉片某截面弦長(zhǎng);r為葉片某截面半徑；Φ為 葉素入流角；
[0115] 步驟B2:確定目標(biāo)函數(shù)；
[0116]對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī)而言，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以連續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，就有可能使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在 最優(yōu)點(diǎn)CP，因此本發(fā)明以風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)最大作為葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)子目標(biāo)函數(shù)：
[0117] Fi(X) =max(Cp)；
[0118] 步驟B3:確定設(shè)計(jì)變量；
[0119] 選取葉片的弦長(zhǎng)、扭角作為設(shè)計(jì)變量;采用樣條曲線控制點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量點(diǎn)，弦長(zhǎng) 和扭角各8個(gè)；
[0120] 步驟Μ:確定約束條件；
[0121] 風(fēng)力機(jī)功率特性是由葉片氣動(dòng)外形（葉片展長(zhǎng)、弦長(zhǎng)及扭角等參數(shù)組成)決定的。 風(fēng)輪的半徑定為32m，選取葉片的弦長(zhǎng)、扭角作為設(shè)計(jì)變量。采用樣條曲線控制點(diǎn)（弦長(zhǎng)和扭 角各8個(gè))作為設(shè)計(jì)變量點(diǎn)，其約束條件如表2:
[0122] 表2設(shè)計(jì)變量的約束范圍
[0124] 步驟3:并行設(shè)計(jì)；
[0125] 利用MATLAB并行計(jì)算模塊將翼型設(shè)計(jì)模塊與葉片外形設(shè)計(jì)模塊結(jié)合起來(lái)進(jìn)行并 行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加快迭代速度，減少計(jì)算運(yùn)行時(shí)間。
[0126] 以三維葉片集成表達(dá)程序?yàn)镸ATLAB進(jìn)程主節(jié)點(diǎn)，翼型設(shè)計(jì)模塊及葉片外形設(shè)計(jì)模 塊為兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用Parfor循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)迭代過(guò)程。具體過(guò)程如下：
[0127] (1)編制三維葉片集成表達(dá)主程序；
[0128] (2)再編制兩個(gè)子程序模塊，分別為翼型設(shè)計(jì)模塊和葉片外形設(shè)計(jì)模塊。采用 MATLAB自帶優(yōu)化算法進(jìn)行子程序優(yōu)化；
[0129] (3)編制氣動(dòng)力插值程序，將優(yōu)化中的翼型氣動(dòng)力插值到葉片外形中，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)力 耦合傳遞機(jī)制，變化的翼型產(chǎn)生變化的氣動(dòng)力，從而又影響葉片外形。
[0130] (4)開(kāi)啟Matlab并行計(jì)算環(huán)境：
[0131 ] CoreNum = 2; %設(shè)定機(jī)器CPU核心數(shù)量，我的機(jī)器是雙核，所以CoreNum = 2
[0132] if matlabpool('size'）〈 = 0%判斷并行計(jì)算環(huán)境是否已然啟動(dòng)
[0133] matlabpool( 'open'，' local '，CoreNum); %若尚未啟動(dòng)，貝lj啟動(dòng)并行環(huán)境
[0134] else
[0135] disp('Already initialized'）； ％說(shuō)明并行環(huán)境已經(jīng)啟動(dòng)。
[0136] end
[0137] (5)在優(yōu)化過(guò)程中，采用Farfor循環(huán)語(yǔ)句與向量化代碼實(shí)現(xiàn)并行加速，用了parfor 之后，輸出參數(shù)用nargout確定。
[0138] 步驟4:判斷翼型設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)與葉片設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到極大 值；
[0139] 若否，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述步驟1;
[0140]若是，則輸出新翼型族及葉片氣動(dòng)外形數(shù)據(jù)。
[0141 ]本實(shí)施例采用MATLAB自帶的fmincom函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，在優(yōu)化過(guò)程中插入并行計(jì) 算模塊，采用Far f or循環(huán)不斷迭代，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)出7組翼型族，分別取名為104(：150、購(gòu)-卩(：180、'^^^210、'^-?0250、'^-?0300、'^-?0350及1〇-?(：400翼型族。其新設(shè)計(jì)翼型族和翼 型族廓線如圖2(a)和(b)所示。
[0142] 選取WQ-PC150翼型與相當(dāng)厚度的風(fēng)力機(jī)翼型NACA-64-415在相同條件下(Re = 6X 106，Ma = 0.15)的氣動(dòng)性能對(duì)比分析(如圖3所示）。由圖可知，在主要攻角范圍內(nèi)，無(wú)論是粗 糙條件還是光滑條件，新翼型的升力系數(shù)和升阻比都比NACA-64-415翼型的要高。說(shuō)明采用 一體化設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)出來(lái)的新翼型具有較高的氣動(dòng)性能。
[0143] 在得到翼型族的同時(shí)，通過(guò)并行計(jì)算，也優(yōu)化出了葉片氣動(dòng)外形參數(shù)，如圖4和5所 示，為葉片沿展向弦長(zhǎng)分布及扭角分布。
[0144] 為了證明優(yōu)化出來(lái)了新葉片具有較高的發(fā)電性能，將優(yōu)化葉片與Tjaere型實(shí)驗(yàn)葉 片做功率特性及發(fā)電量性能對(duì)比（如圖6和7)。由圖6可知，通過(guò)并行優(yōu)化出來(lái)的新葉片在葉 尖速比范圍為6~12時(shí)的功率系數(shù)要明顯大于Tjaere型葉片，其主要原因是高性能的翼型 族及葉片弦長(zhǎng)、扭角分布不同。由圖6可知，在額定風(fēng)速內(nèi)（V< 12.5m/s)，新葉片年發(fā)電量分 布相比Tjaere型葉片有了較大的提高。
[0145] 圖8為通過(guò)三維軟件繪制出來(lái)的新型風(fēng)力機(jī)葉片效果圖，由圖可知，該新型葉片表 面光滑，這對(duì)葉片流場(chǎng)分布及載荷分布有益，同時(shí)也便于加工制造。
[0146] 應(yīng)當(dāng)理解的是，本說(shuō)明書(shū)未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0147] 應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本 發(fā)明專(zhuān)利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán) 利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā) 明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:基于三維葉片泛函集成表達(dá)式，將翼型參數(shù)表達(dá)及葉片三維形狀表達(dá)集成于一 體，構(gòu)建三維葉片集成表達(dá)式； 步驟2:分別建立翼型設(shè)計(jì)模塊和葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)模塊，這兩個(gè)模塊之間通過(guò)氣動(dòng)力 插值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞機(jī)制； 步驟3:并行設(shè)計(jì)； 步驟4:判斷翼型設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)與葉片設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)是否收斂； 若否，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述步驟1; 若是，則輸出新翼型族及葉片氣動(dòng)外形數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步 驟1中所述三維葉片集成表達(dá)式為：其中，X為翼型橫坐標(biāo)，y為翼型縱坐標(biāo)，z為空間三維葉片沿展向坐標(biāo);a為1/4翼型弦 長(zhǎng);R為葉片半徑，r為翼型矢徑;Xm為翼型氣動(dòng)中心展向位置;u為葉片展向位置，ue[〇，l]; c(u)為弦長(zhǎng)分布函數(shù);β(ιι)為扭角分布函數(shù)； 所述三維葉片集成表達(dá)式能表征任意可能的葉片幾何形狀的集成：即集成葉片的空間 坐標(biāo)翼型分布、葉片弦長(zhǎng)分布、葉片扭角分布。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步 驟2中采用泛函集成理論作為翼型設(shè)計(jì)模塊，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟： 步驟Α1:確定翼型集成公式；φ(θ) ~ ?/,(! -cos^)-t-/>, χ?η?>+ ?,(I -οο,ν,Θ? + h, sisi' θ-\-----l·(I - coW)' +/),.. sin'1 々=1.2二..力:； 式中，x為翼型橫坐標(biāo)，y為翼型縱坐標(biāo);r為翼型的矢徑；舛的為翼型控制方程函數(shù);ak、 bk為系數(shù)，Θ為幅角，a為1/4翼型弦長(zhǎng)； 步驟A2:確定目標(biāo)函數(shù)； 以各翼型最大升阻比作為翼型設(shè)計(jì)模塊目標(biāo)函數(shù)，以光滑條件下升阻比最大為目標(biāo)函 數(shù)之一： fi(x) =max(CL/CD); 其中α為升力系數(shù)，cD為阻力系數(shù)； 步驟A3:確定設(shè)計(jì)變量； 選取翼型控制方程函數(shù)φ(θ)的第1到第8項(xiàng)系數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，確定設(shè)計(jì)變量為： Xi= (ai,bi,a2, b2,a3,b3,a4,b4)； 步驟A4:確定約束條件； 對(duì)翼型控制方程函數(shù)前8項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行約束，其約束條件如表1: 表1設(shè)計(jì)變量范圍對(duì)翼型最大相對(duì)厚度進(jìn)行約束，其最大相對(duì)厚度分別約束在40%、35%、30%、25%、 21%、18% 及 15%〇4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步 驟2中所述葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)模塊，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟： 步驟B1:基于動(dòng)量葉素理論，確定功率系數(shù)；Yi = 4F sin^/(〇CnFi)；Cn = Ci cos Φ +Cd sin Φ ； Y2 = 4Fsin Φ cos Φ/(〇Ct Fi)； Ct = Ci ε?ηφ-?? οοεΦ； 〇 = Bc/(2Jir)； 式中，λ為葉尖速比;R為風(fēng)輪半徑;a為軸向誘導(dǎo)因子，a'為周向誘導(dǎo)因子;Cn為法向力系 數(shù);Ct為徑向力系數(shù);B為葉片個(gè)數(shù);c為葉片某截面弦長(zhǎng);r為葉片某截面半徑；Φ為葉素入 流角； 步驟B2:確定目標(biāo)函數(shù)； 以風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)最大作為葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)： Fi(X) =max(Cp)； 步驟B3:確定設(shè)計(jì)變量； 選取葉片的弦長(zhǎng)、扭角作為設(shè)計(jì)變量;采用樣條曲線控制點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量點(diǎn)，弦長(zhǎng)和扭 角各8個(gè)； 步驟B4:確定約束條件； 其約束條件如表2: 表2設(shè)計(jì)變量的約束范圍5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步 驟3中所述并行設(shè)計(jì)，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟： 步驟3.1:編制三維葉片集成表達(dá)主程序； 步驟3.2:編制兩個(gè)子程序模塊，分別為翼型設(shè)計(jì)模塊和葉片外形設(shè)計(jì)模塊；采用 MATLAB自帶優(yōu)化算法進(jìn)行子程序優(yōu)化； 步驟3.3:基于動(dòng)量葉素理論編制氣動(dòng)力插值程序，將優(yōu)化中的翼型氣動(dòng)力插值到葉片 外形中，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)力耦合傳遞機(jī)制，變化的翼型產(chǎn)生變化的氣動(dòng)力，從而又影響葉片外形； 步驟3.4:開(kāi)啟Matlab并行計(jì)算環(huán)境： 步驟3.5 :在優(yōu)化過(guò)程中，采用Farf or循環(huán)語(yǔ)句與向量化代碼實(shí)現(xiàn)并行加速，用了 parfor之后，輸出參數(shù)用nargout確定。6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的風(fēng)力機(jī)翼型與葉片外形參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法，其 特征在于:步驟4中所述判斷翼型設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)與葉片設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)是否收 斂，是判斷翼型設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)與葉片設(shè)計(jì)模塊中目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到極大值。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105868470SQ201610185838
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月29日
【發(fā)明人】汪泉, 王君, 孫金風(fēng), 游穎, 魏瓊, 任軍
【申請(qǐng)人】湖北工業(yè)大學(xué)