大型变截面翼型叶片与气动性能优化分析
大型水平轴风力机叶片气动性能优化
大型水平轴风力机叶片气动性能优化
张湘东;聂国华
【期刊名称】《计算机辅助工程》
【年(卷),期】2009(18)1
【摘要】为提高风力机将风能转化为机械能的效率,根据我国西北地区的风频风能曲线,用最优设计攻角沿叶片轴线的非线性分布修正传统Wilson算法,优化设计大型水平轴风力机叶片的气动性能. 该优化设计利用Matlab优化工具箱,优化速度干涉因子的迭代计算,提高计算效率;考虑多翼型和变攻角等因素对叶片外形优化的影响,从结构及加工工艺角度修正翼型. 通过对1.2 MW 风力发电机组叶片外形的气动性能计算和优化设计,结果表明该优化设计的有效性和可行性,可为风力机叶片外形设计提供参考.
【总页数】4页(P47-50)
【作者】张湘东;聂国华
【作者单位】同济大学,应用力学研究所,上海,200092;湖南科技大学,土木工程学院,湖南,湘潭,411201;同济大学,应用力学研究所,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TK83;O355
【相关文献】
1.大型变截面翼型叶片与气动性能优化分析 [J], 杨敏;邢钢;邢诗蓉;王守艺
2.小型水平轴风力机叶片气动性能优化 [J], 李建华;魏克湘;王高升
3.大型水平轴风力机叶片的空气动力学分析 [J], 高秀娟
4.大型近海水平轴风力机转轮的空气动力学性能优化判据 [J], 程兆雪;李仁年;杨从新;胡文瑞
5.大型水平轴风力机叶片气动弹性计算 [J], 唐迪;陆志良;郭同庆
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新型无人机的气动性能分析与优化
新型无人机的气动性能分析与优化在当今科技迅速发展的时代，无人机技术已经成为了众多领域的重要应用手段。
从军事侦察到民用航拍，从物流配送再到环境监测，无人机的身影无处不在。
而在无人机的设计和研发过程中，气动性能的分析与优化是至关重要的环节，它直接关系到无人机的飞行效率、稳定性、操控性以及续航能力等关键性能指标。
一、新型无人机气动性能分析的重要性无人机的气动性能是指其在空气中运动时所受到的空气动力特性。
良好的气动性能能够使无人机在飞行中消耗更少的能量，从而延长续航时间，提高作业效率。
同时，稳定的气动性能有助于无人机在复杂的气象条件和环境中保持稳定的飞行姿态，减少失控的风险。
例如，在航拍领域，如果无人机的气动性能不佳，可能会在强风环境下出现剧烈的抖动，导致拍摄画面模糊不清；在物流配送中，低效的气动设计会使无人机消耗过多的电能，缩短飞行距离，影响配送任务的完成。
二、新型无人机的气动特性1、外形设计对气动性能的影响无人机的外形设计是影响其气动性能的重要因素之一。
常见的无人机外形包括多旋翼、固定翼和混合翼等。
多旋翼无人机由于其结构简单、操控灵活，在近地作业中广泛应用。
但其多个旋翼产生的气流相互干扰，会在一定程度上降低气动效率。
固定翼无人机则依靠机翼产生升力，具有较高的飞行速度和较远的航程，但起降需要一定的场地和条件。
混合翼无人机结合了多旋翼和固定翼的特点，在一定程度上弥补了两者的不足，但也带来了结构复杂和控制难度增加的问题。
2、翼型选择与气动性能翼型的选择直接关系到无人机机翼产生升力和阻力的大小。
常见的翼型有对称翼型和非对称翼型。
对称翼型在正飞和倒飞时性能相同，但升力系数相对较低；非对称翼型在正常飞行时能产生较大的升力，但倒飞性能较差。
对于不同用途的无人机，需要根据其飞行任务和要求选择合适的翼型。
例如，用于长航时侦察的无人机可能会选择高升阻比的翼型，以提高续航能力；而用于快速机动的无人机则可能更倾向于选择具有良好加速性能的翼型。
翼型气动性能的优化
翼型气动性能的优化摘要：本文研究风力发电翼型气动性能优化的有关内容，是立足于能源的可持续利用与发展，为人类社会提供更加安全的能源，从而展开一系列的技术研究和探索，促使风力发电为我国能源的持续发展和利用提供保证，并全面的提高我国翼型气动性能设计研发能力，优化我国能源开发的整体结构以及系统性。
关键词：翼型；气动；性能由于社会经济的高速发展，智能化水平的提升，对于高新技术产业的依赖程度越来越高，尤其是能源短缺问题，可以借助于高新技术产业化的发展得到缓解，为人类社会的可持续发展提供更多优质的能源，从而服务于整个社会的进步。
所以，本文研究风能这一可再生资源，有助于缓解能源危机，且降低能源利用的环境污染，降低排放量，从而全面的提升现代社会人们的生活水平。
借助于计算机技术以及相关的研究方法，运用翼型优化方法，对翼型进行气动性能上的改良，以达到提高风力发电效果，降低阻力系数，提升翼型的升力的目的。
然由于我国对于风力发电的研究起步较晚，风力发电专用翼型的设计与研究以及气动性能数据的资料匮乏。
所以，我国有必要针对数据库资料获取完整的数据资料，并通过建立模拟实验的方式提高翼型气动性能。
通过将流体力学与其他学科技术软件的融合运用，积极探索翼型气动优化设计的网格变形方法等，助力于我国风力发电专用翼型设计的发展。
一、翼型气动性能的影响因素分析（一）前缘半径翼型气动性能受到前缘半径的显著影响。
通常在其他因素参数不变时，前缘半径与翼型的最大升力呈现正相关，且在一定程度上影响了翼型的最大升阻比。
所以，有必要针对前缘半径展开具体的研究，通过优化其力学性能等来提升翼型气动性能，全面的增强风力发电效果，增强翼型气动的稳定性。
（二）弯度翼型气动受到弯度的影响较大，在其他参数不变的前提下，弯度的加大，必然会增加翼型吸力表面的负压，从而提升了翼型的阻力。
当然，不同翼型的最大升阻比有所差别，所以弯度对于翼型的影响需要引起高度重视。
结合弯度有关的影响因素，积极克服翼型气动性能影响因素，增强翼型气动效果。
基于Kriging模型的风力机翼型优化设计及气动性能分析
基于Kriging模型的风力机翼型优化设计及气动性能分析目录一、内容概括 (2)1.1 研究背景与意义 (2)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 研究内容与方法 (5)二、Kriging模型的基本原理及实现 (6)2.1 Kriging插值方法 (8)2.2 Kriging模型的参数优化 (9)2.3 Kriging模型的应用实例 (11)三、风力机翼型优化设计方法 (12)3.1 风力机翼型设计的基本理论 (14)3.2 基于Kriging模型的翼型优化设计流程 (15)3.3 风力机翼型设计参数敏感性分析 (16)四、翼型气动性能分析 (18)4.1 翼型气动性能基本理论 (20)4.2 气动性能参数计算方法 (21)4.3 气动性能测试与分析 (23)五、Kriging模型应用于翼型优化设计实例 (25)5.1 实例翼型的选取 (26)5.2 翼型优化设计过程 (27)5.3 优化结果分析与验证 (29)六、基于Kriging模型的翼型优化设计结果对比分析 (30)6.1 不同Kriging模型插值精度对比 (31)6.2 优化前后翼型气动性能对比 (32)6.3 优化分析结果的可视化展示 (33)七、Kriging模型在翼型优化设计中的局限性及改进措施 (34)7.1 Kriging模型存在的局限性 (34)7.2 改进措施与展望 (36)八、结论 (38)8.1 研究成果总结 (39)8.2 研究创新点 (40)8.3 研究不足与展望 (41)一、内容概括本章节概述了基于Kriging模型的风力机翼型优化设计及气动性能分析的研究背景及意义。
Kriging模型作为一种高效的全局优化方法，在处理复杂、多维的黑箱函数优化问题时表现出显著的优势，是当前工程设计中广泛采用的手段之一。
本研究旨在通过引入Kriging模型，结合高效的优化算法，对风力机翼型进行优化设计，并进一步分析优化设计的风力机翼型在不同气流条件下的气动性能，力求提升风能转换效率，减少设计时间和费用。
大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究
展望未来，针对大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究，建议进一步加强 以下方面的工作：
1、深入研究气流攻角、风速和湍流度等参数对大型风机叶片气动性能的影响 机制，以进一步提高预测和优化方法的准确性。
2、开展多学科交叉研究，将结构优化设计与材料科学、制造工艺等领域进行 深度融合，以推动大型风机叶片的性能提升和制造水平的进步。
3、材料选择与制造工艺：材料选择和制造工艺对大型风机叶片的性能和使用 寿命具有重要影响。目前，针对大型风机叶片的材料主要包括玻璃纤维复合材 料、碳纤维复合材料等。这些材料具有轻质、高强度等特点，适合用于制造大 型风机叶片。
同时，先进的制造工艺如真空灌注成型、热压罐成型等也为大型风机叶片的制 造提供了有力的支持。
四、研究方法
本次演示从以下几个方面对大型风机叶片气动性能计算与结构设计进行了研究：
1、气动性能计算：采用数值模拟方法对大型风机叶片的气动性能进行计算， 通过设置不同的气流攻角、风速和湍流度等参数，对叶片的气动性能进行全面 的评估。
2、结构设计：基于气动性能计算结果，对大型风机叶片的结构进行优化设计， 包括翼型设计、结构强度分析和振动特性分析等。同时，考虑材料属性和制造 工艺要求，选择适合的材料和制造工艺，以实现叶片的高性能和长寿命。
3、加强实验研究工作，建立更多不同类型和规格的风机叶片实验台，以获得 更丰富的实验数据支撑，推动相关理论和方法的发展。
参考内容
随着全球对可再生能源需求的不断增长，风力发电技术得到了快速发展。风力 发电机作为风力发电系统中的核心部件，其性能的优劣直接影响到整个系统的 效率。而风力发电机叶片设计又是风力发电机性能的关键因素之一，因此对于 风力发电机叶片的设计与气动性能仿真研究具有重要的实际意义。
风力机叶片设计及翼型气动性能分析
风力机叶片设计及翼型气动性能分析风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，其设计和翼型选择对风力机的发电效率、噪音和寿命等都有着非常重要的影响。
本文将介绍风力机叶片的设计及翼型气动性能分析。
一、叶片设计原理风力机叶片的设计目的是将大气中的风能转换成旋转能，并将其通过转轴传递给发电机，从而产生电能。
因此，叶片的设计主要围绕以下几点展开：1. 创造足够的扭矩：风力机的转子需要达到一定的转速才能发电，而叶片的弯曲和扭矩对于旋转速度的影响至关重要。
设计中需要选择合适的曲线形状和长度来实现理想的扭矩和转速。
2. 保证叶片的强度和稳定性：因叶片在高速旋转状态下会受到巨大的惯性力和风力力矩的作用，因此其材料和结构要足够坚固和稳定，以避免可能的断裂等事故。
3. 提高叶片的气动效率：叶片的气动效率是指其转化风能的能力，通常可以通过优化翼型、减小阻力、降低风阻等方法来提高。
二、叶片设计步骤1. 选定叶片长度：叶片长度通常是根据风力机的规格和性能要求来确定的，也可以根据标准长度来选择。
2. 选择翼型：翼型是叶片的重要组成部分，其形状和性能决定了叶片的阻力和气动效率。
目前，常用的翼型有NACA0012、NACA4415等，根据实际需求来选择。
3. 确定叶片曲线：叶片的曲线是决定扭矩和转速的关键因素，可以通过实验或模拟方法得到合适的曲线形状。
4. 优化叶片的结构：结构设计主要涉及到叶片的强度和稳定性，通常需要进行材料选择、计算等工作以保证叶片的安全性和寿命。
5. 模拟叶片气动特性：叶片的气动特性可以通过流场模拟、试验等方式来获取，可以根据实际需求来对叶片进行调整以达到理想的效果。
三、翼型气动性能分析翼型气动性能是指翼型在气流中运动时产生的力和力矩，其中，升力和阻力是翼型气动力的主要组成部分。
通过分析翼型气动性能，可以选择最优化的翼型来设计叶片。
1. 升力和阻力翼型的升力和阻力是由翼型形状、气流速度、攻角等因素共同决定的。
实际上，翼型的气动性能曲线通常都是非线性的，其升力和阻力特性会随着攻角的变化而不断变化。
风力发电机组叶片的气动性能分析
风力发电机组叶片的气动性能分析近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的迅速发展，风力发电成为了重要的清洁能源之一。
而风力发电机组的叶片作为其中的关键组成部分，其气动性能的分析对于提高发电效率具有重要意义。
本文将重点探讨风力发电机组叶片的气动性能分析，并深入研究其原理和影响因素。
一、气动性能分析的原理风力发电机组叶片的气动性能分析是通过计算机辅助工程（CAE）软件来模拟和预测叶片在风场中的响应。
其中，主要采用的方法是数值模拟和风洞试验。
数值模拟方法基于流体力学和数学模型，通过模拟风场中的流体流动，计算叶片表面的压力分布、力矩和阻力等参数，以评估叶片的性能。
而风洞试验则是通过实验室环境中的风流模拟真实的风场，通过测量叶片表面压力分布和受力情况，来推导叶片的性能参数。
二、气动性能影响因素分析风力发电机组叶片的气动性能受多种因素的影响，以下将分别介绍其主要影响因素：1. 叶片形状：叶片的外形和轮廓对气动性能有着重要影响。
一般来说，采用更长、更窄的叶片可以提高效率，但是也会增加叶片的结构复杂度和重量。
同时，叶片的翼型横截面的选择也会对性能产生显著影响。
2. 叶片材料：叶片的材料选择直接关系到其强度和重量。
常见的叶片材料包括复合材料、纤维增强塑料等。
合适的材料选择可以在保证叶片强度的同时减轻重量，提高风能利用率。
3. 叶片倾角：叶片倾角对叶片的气动性能也有关键影响。
适当调整叶片倾角可以改变叶片的攻角，实现更好的气动特性，并提高发电效率。
4. 风场条件：风的速度、方向和湍流强度等也是影响叶片气动性能的重要因素。
不同的风场条件需要针对性地进行叶片设计，以获得最佳的气动性能。
三、气动性能分析技术应用风力发电机组叶片的气动性能分析技术广泛应用于叶片设计、优化和性能评估等方面。
1. 叶片设计和优化：基于气动性能分析的数值模拟方法，可以对叶片进行自动化设计和优化，以满足预定的要求和目标。
通过模拟和优化，可以寻找最佳的叶片形状、翼型和倾角等，实现更高效率的风能转化。
飞机设计中的气动优化与性能改进
飞机设计中的气动优化与性能改进航空工程领域一直致力于完善飞机的气动设计以优化性能，提高飞行效率，并确保安全可靠性。
本文将探讨飞机设计中的气动优化技术与性能改进方法。
一、气动力基础与流场模拟技术飞机的气动性能直接影响飞行性能和燃油效率。
在飞机设计中，精确计算气动力是非常关键的。
首先，需了解流体力学与气动学的基础知识，如气动力学定律、空气动力学系数等。
其次，流场模拟技术在飞机设计中起到重要作用。
常用的流场模拟方法包括数值模拟、风洞试验以及全尺寸飞行测试等。
二、翼型优化与气动外形设计飞机翼型优化是气动设计的核心问题之一。
在翼型设计中，常采用的方法包括将计算机算法与进化算法相结合，通过多样化的翼型形状进行优化。
此外，气动外形设计也是重要的一环。
通过减小飞机表面的阻力和提高升力系数，可以改善飞机性能。
在气动外形设计中，流线型和翼型的综合优化是必不可少的。
三、机翼的翼型改进与结构优化机翼的翼型改进是提高飞机性能的重要途径之一。
通过改进翼型，可以减小翼面积的阻力，提高升力系数与升阻比。
在翼型改进中，需要考虑到飞机的各种飞行状态，并在结构优化的基础上进行。
结构优化可以综合考虑飞机的强度、刚度与稳定性等因素，使飞机在飞行过程中具有更好的适应性和可靠性。
四、机身与机翼的协同设计在飞机设计中，机身与机翼的协同设计是不可忽视的。
机身与机翼的协同设计可以提高飞机的整体气动性能，减小阻力。
在协同设计中，需要考虑机身和机翼的结构与气动优化，使它们之间的协调性更好。
此外，还要合理地设计机翼后缘的横向加压板、起落架等辅助设备，以最大程度地减小阻力。
五、尾翼设计与尾流效应的考虑尾翼设计在飞机气动优化中也具有重要作用。
在尾翼设计中，常采用实验与数值模拟相结合的方法，通过调整尾翼的形状、角度和位置等参数，以减小尾阻与尾流对飞机的影响。
此外，尾流效应的考虑也为飞机设计带来了一定的挑战。
尾流效应会对跟随飞机产生干扰，需要通过翼尖翼面等技术手段进行处理。
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其中： 风轮转动角速度 （ ｄ ） ｔ ｏ． ｒ／ ； ａ ｓ
ａ轴 向诱导因子；． ． ｂ 切向诱导 因子； ＦＰａｄ 气动损失修正子。 －ｒ ｔ ｎｌ 由式 （） （） １和 ３ 可得 ：
一
部采用 Ｄ Ｕ系列翼型组合， 轮毂部分为 圆截面。 叶片
增加风轮功率输出， 但同时增大了轴向推力， 缩短 叶
片 的使 用 寿命 。
３ 叶片的气动性能计算分析
为研究 变截 面翼型 叶片 气动性 能 ，验证 桨 叶气 动外 形设计 的优 劣，选 取变 截面翼 型 叶片 与单 一翼
型叶片分别进行气动性能的计算 比较，对设计的风
图三 叶片 弦长分 布
得 的风 能利用 系数是 成功 的 。从 图三 中看 出变 截 面 未 修正 弦长 靠近 轮毂 处达 到 ６Ｏ 与 实 际 叶片 相差 ． ｍ，
很 大， 增加 了叶片 的总重量 ， 叶片 的加工 和安 装带 给
来 了很大 困难 。从 图 四中看 出变 截面 未修 正翼 型 叶 片 根部 扭角也较 大 ， 导致结 构不 稳定 。 因此需要 对 叶 片弦长 和扭 角进行适 当修 正 。 ２３叶片 弦长和 扭角 的修 正 －
８
２ 变截 面翼 型 叶片外 形设 计
入、 叶片直径
、｝ ． 片翼型的选择 、 叶片各截面 的弦
ｃ— ｏａ 妒 磊Ｊ Ｓ
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（１ １）
从 图二可 以看 出，考虑 了轮毂和 叶尖 气动 损伤 及 升阻 比的影 响， 叶片展 向 中部 风 能利用 系数 达 到
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，
（） ８
为使风力机的输出功率系数最大，求在约束条
件 （ 下目 ７ ） 标函数 （） ９ 的最优化极值 。 利用 Ｍａａ 有 ｔｂ ｌ 约束非线性最值函数优化计算每个截面的诱导因子
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－
ａ， 尖 伤 数 。 计 气 力 由 （ 、 、 叶 损 系 Ｆ不 空 阻 ， 式１ ｂ ０ ）
（ （）算 叶 弦 ｃ 扭 ｅ］ 变 面 型 ９ １计 得 片 长 和 角 ［其 截 翼 ） １ ４ 。
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二 ～图Ｉ Ｎ所示 。
￣（ａ 以 ｂ ） １ｔ －
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气密 度 （ ／ ，； ． ｋ ｍ ）Ｖ 来流 风速 （ ｓ； Ｌ升力 系数； ｇ ｎ ）Ｃ ． ｖ Ｃ 旷阻力系数 ；． ｃ 叶素弦长。 根据动量理论， 考虑叶尖损失， 可得风轮平面处 ｄ 的推力和转矩［ ： ｒ 】 － ２ １ ｄ ＝ Ｔ ＰＶ （ ａ）Ｆｄ Ｔ ４Ｔ ２１ Ｆ ａｒｒ 一 ｄ － ＴＰ Ｖ （－ ）Ｆ￣ Ｍ－ Ｔ ｍ １ Ｆ ｂｒ ｒ ４ ａ ｄ （） ３ （） ４ 力系数较高， 而相应的阻力系数较小。 从根部到叶尖 布置的翼型都要有 良好的气动特性，一般根部采用 的相对厚度较大的翼型， 有较大的升力系数 ； 而叶尖 多采用相对厚度较小的翼型，最大升力和最小阻力 都较小同 。本文中叶片尖部采用 Ｎ Ｃ ６—ｘ Ａ Ａ ３ ｘ系列 ２ 翼型，中间部分采用的是 Ｆ Ａ Ｗ３系列的翼型， Ｆ－ 根
图三的叶片弦长分布曲线 中， 叶片展 向 ７％ 沿 ５
附近是主要产生功率区域， 叶片弦长应接近原始值 。
图二 风能利用系数分布 越接近原始值， 修正造成的能量损失越小； 靠近轮毂 处是叶片质量集中区域， 对风轮功率输出影响不大。 优化叶片弦长要适当减小， 可减轻叶片总重量， 降低
成本 。 四的叶片 扭角分 布 曲线 中， 图 根部 扭 角减小 能
＋ ８ 。 ６ 刀ｃ ｓ
忽略叶片翼型阻力， 由式 （） （） ５ 和 ６可得： ａ１ａ）ｂ１ｂ入ｚ （－Ｆ＝ （＋ ） （） ７ 风轮半径 ｒ 处叶素上功率输 出量为：
图一 叶片 沿展 向长度 的相对 厚 度分布
２ ． ２叶片弦长和扭角的计算
ｄ ＝ Ｍ＝ １ ＰＶ∞ （－ ）ｒ ｒ Ｐ ｍｄ ４ １ Ｆｂ￣ Ｔ ａ ｄ