风力机翼型的气动优化设计与风洞试验

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1、中图分类号V211.3学校代码10699密级学号2009100151西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：风力机翼型的气动优化设计与风洞试验作者：樊艳红学科专业：流体力学指导教师：宋文萍2015年7月Title:ResearchonaerodynamicoptimizationdesignandwindtunneltestofwindturbineairfoilsByFanYan-hongUndertheSupervisionofProfessorSongWen-pingADissertationSubmittedtoNorthwesternPol

2、ytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyXi’anP.R.ChinaJuly2015摘要摘要作为一种清洁的可再生能源，风能引起了世界各国人民的关注和重视。预计未来20年左右，世界风电市场将以每年25%的速度递增。由于风电市场被重视，风力机近期也得到了越来越广泛的发展与应用。风力机叶片是获取风能的核心部件之一，其气动性能决定了风力发电机的风能利用率、载荷特性及噪声水平等，而作为构成叶片外形基本要素的翼型，是决定叶片性能的最

3、主要因素。因此，高性能风力机翼型的设计对于提高叶片的风能捕捉能力、降低叶片的系统载荷及相应的质量有着重要的意义。为此，本文开展了风力机翼型的气动分析方法与优化设计方法以及风洞试验技术研究，主要研究工作如下：1.进行了风力机翼型的全流向绕流和极大迎角翼型风洞试验洞壁干扰影响的数值模拟研究。基于嵌套网格技术，采用非定常、预处理可压缩雷诺平均N-S方程及k-ωSST湍流模型对风力机翼型在迎角±180º范围内的绕流进行了气动特性计算研究，计算结果定性反映了气动性能随迎角变化的物理规律。为了进一步提高风力机翼型全流向绕流气动特性预测的精度，开展了基于WALE亚格子

4、模型的LES方法的风力机翼型全流向绕流的气动特性的计算研究，并与国内外实验结果进行了比较。通过比较表明：LES方法对风力机专用翼型全流向绕流气动特性的预测和实验结果吻合良好；LES方法是准确的、可靠的。利用验证了的LES方法对洞壁干扰影响情况下DU93-W-210翼型的全流向绕流的气动特性进行了计算研究，得到了洞壁影响的气动力特性干扰量，并展示了流场细节。2.进行了风力机翼型的多目标优化设计研究。采用基于代理模型的Pareto多目标优化设计方法，根据风力机叶片径向不同站位翼型的不同要求，进行了不同厚度风力机翼型的气动优化设计，包括相对厚度分别为18%、2

5、1%、25%、30%、35%的风力机翼型，通过控制翼型吸力面转捩点的位置来提高翼型的升阻特性和粗糙度不敏感性、以最大厚度及其位置为约束来保证几何兼容性。通过优化前后翼型的气动性能的对比分析，说明了所设计的翼型能够满足风力机叶片对翼型的设计需求。3.进行了基于Adjoint方法的风力机翼型气动优化设计研究。通过引入Bracket线搜索方法，改进发展了基于Adjoint方法的翼型优化设计方法，提高了优化设计的鲁棒性。算例表明，线搜索方法可以自动获取最优步长，有效解决了传统的步长选取受到限制，优化结果受步长影响的问题。在此基础上，针对风力机翼型的多点多目标气动

6、优化反设计，发展了基于Adjoint方法的多点多目标气动优化设计程序，并进行了相关算例的验证。针对Pareto多目标优化设计得到的18%、21%相对厚度的风力机翼型，应用改进的Adjoint方法的优化设计方法，进行了减阻优化设计研究。I西北工业大学博士学位论文4.风力机翼型的常规攻角和全流向风洞试验研究。介绍了NF-3风洞的试验设备及采用的洞壁干扰修正方法。常规攻角时，进行了DU系列风力机翼型的NF-3风洞试验，将试验结果与TUDelft风洞试验结果进行了比较，结果吻合，说明NF-3风洞的测试方法和设备条件能够满足风力机翼型风洞试验的要求；通过自由转捩时

7、DU93-W-210风力机翼型的七次重复性风洞试验，结果一致，说明NF-3风洞试验测得的数据精度达到了国军标的指标；通过风洞试验，研究了NPU-WA翼型的高雷诺数特性。全流向时，通过不同弦长的NPU-WA-210风力机翼型全流向的风洞试验，洞壁干扰修正后的结果几乎重合，说明采用的极大迎角洞壁干扰修正方法是正确的。关键词：风力机翼型，Navier-Stokes方程，Adjoint方法，大涡模拟方法，气动优化设计，全流向，风洞试验，洞壁干扰修正本研究得到国家“863”计划（编号：2012AA051301）资助。IIAbstractAbstractWind

8、energyisakindofclean,renewableenergy,eve