[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

摘要

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。

主权项

1.一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，根据风力机叶片的气动性能需求和噪声水平要求，以外侧翼型的最大升阻比和气动噪声总声压级作为优化目标，其特征在于，所述方法包括如下步骤：SS1.确定目标外侧翼型的最大相对厚度及其设计工况条件，所述设计工况条件至少包括切入切出风速之间的运行攻角范围、运行雷诺数条件；根据目标外侧翼型的最大相对厚度，选择一最大相对厚度与目标外侧翼型基本相同的翼型作为初始翼型；SS2.确定目标外侧翼型的优化目标函数F：所述优化目标函数F至少包括表征翼型气动效率的最大升阻比l/dmax和表征翼型自噪声水平的翼型气动噪声总声压级Spl,total两项优化目标参数，所述翼型气动噪声总声压级Spl,total至少包括翼型湍流边界层尾缘噪声的声压级、分离流噪声的声压级、层流边界层涡脱落噪声的声压级、钝尾缘噪声的声压级、湍流入流噪声的声压级，根据目标外侧翼型的设计需求侧重分别确定各项优化目标参数的权重系数，根据量级大小分别确定各项优化目标参数的归一化尺度因子，根据在优化过程中增减的期望分别确定各项优化目标参数的期望系数，所述优化目标函数F的表达式为F＝∑eiwisifi，其中，fi为各项优化目标参数，ei为各项优化目标参数的期望系数，wi为各项优化目标参数的权重系数，si为各项优化目标参数的归一化尺度因子；SS3.确定目标外侧翼型的约束参数体系，所述约束参数体系至少包括表征翼型设计工况下的气动载荷特性参数以及表征翼型气动力特征随非设计工况变化的稳定性参数；SS4.以翼型的几何特征参数作为目标外侧翼型的设计变量，至少根据初始翼型的几何特征与结构兼容性要求，确定目标外侧翼型的几何设计空间；SS5.采用多目标最优化算法对优化目标函数F进行迭代优化，在每一步迭代优化过程中均需对翼型的气动性能与气动噪声特性进行计算，通过分析翼型的气动性能和气动噪声特性，判断优化目标函数F是否达到最优解，最终得到目标外侧翼型。