水平轴风力机翼型优化设计方法的研究

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1、学校代码10530学号201013021627分类号O34,O37密级硕士学位论文水平轴风力机翼型优化设计方法的研究学位申请人孙勤指导教师张俊彦教授学院名称土木工程与力学学院学科专业固体力学研究方向新型材料的力学性能二○一三年五月水平轴风力机翼型优化设计方法的研究学位申请人孙勤导师姓名及职称张俊彦教授学院名称土木工程与力学学院学科专业固体力学研究方向新型材料的力学性能学位申请级别工学硕士学位授予单位湘潭大学论文提交日期2013年5月ResearchonOptimalDesignofAirfoilforHorizontal-AxisWindTurbinesCand

2、idateSunQinSupervisorandRankProfessorZhangJunyanCollegeCollegeofCivilEngineeringandMechanicsProgramSolidMechanicsSpecializationMechanicalPropertiesofNewMaterialDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangTanUniversityDateMay,2013湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以

3、标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要叶片是

4、风力机产生升力和阻力的重要部件，而构成叶片剖面的翼型，其空气动力学特性对叶片性能有着直接、重要的影响。发展多目标多约束的高性能翼型是目前研究的热点。本文根据翼型的初步设计和修形设计两个不同阶段要求，采取不同的绕流求解方案。在修形设计阶段，利用基于势流方程与边界层方程耦合的求解器（XFOIL）获取气动特性参数；通过与NASA公布的风洞实验数据对比，验证了XFOIL的计算符合本阶段高精度的要求。在初步设计阶段，采用基于不可压缩势流方程及普朗特—葛劳渥压缩性修正公式的面元法（包括涡、偶极子、线性强度涡三种）获得气动特性参数；通过与XFOIL在不同工况下的计算结果比较，

5、验证了面元法具有本阶段所需的稳定、快速、粗估计的分析能力。对目前应用较广泛的三类翼型参数化方法：型函数扰动法，如多项式型函数、Hicks-Henne型函数；控制点法，如Bezier函数、Spline函数、B-Spline函数；复合映射法，如形状函数，做了关于可控性和完备性的灰评估分析。结果表明：第一类方法计算精确性高，第二类方法收敛稳定性强，第三类方法因为获得同等精度的结果需要增加较多的变量，计算负荷过重，所以不利于推广。先后建立了基于SQP算法的逆设计模型和基于GA算法的正设计模型。前一模型在指定升力系数的条件下，以多项式目标压强分布作为目标，能在半分钟之内设

6、计出相应的两种翼型：一种是反翘翼型，适用于对风力机叶片强度和对整机稳定性要求高的情况；另一种是平顶翼型，适用于风速较低、风向多变化，又要求风力机运行效率高的情况。在后一模型的测试中，重点探讨了风力机翼型置于多工况运行条件下的非线性综合目标函数优化设计命题。在高升阻比对称翼型的设计算例中，优化后的翼型相比相同厚度的NACA0015.5，具有更宽阔、更有效的工作区间，能在气流多角度的冲击下，保持高升阻比特性。在低噪声翼型的设计算例中，优化后的翼型不仅具有良好的气动性能，而且3具有较好的声学性能；能在任意攻角下提高升阻比，并在频率大于4×10Hz的区间内减小噪声声压级

7、，最大减小量达1.7dB。关键词：风力机；翼型；翼型参数化；正设计；逆设计IAbstractBladeisanessentialcomponentofwindturbinewhichinducestheliftanddrag.Airfoil,whichisblade’scrosssection,hassignificantinfluencesonaerodynamiccharacteristicoftheblade.Highperformanceairfoilwithmulti-objectiveandmulti-constraintistheresearchh

8、otspotsatpre