考虑气动噪声的风力机翼型设计及其应用

论文摘要

随着风力机向大型化发展,风力机噪声问题不可忽略。由于叶片产生的气动噪声近似地与叶尖速度的五次方成正比,风力机制造商通常要对叶尖速度进行一定的限制,这显然制约着风力机的捕能效率,如何优化风力机的噪声性能已成为行业发展的必然,设计出气动性能优良并低噪的翼型,则可以使风力机叶片在设计时能突破因噪声引起的转速限制。本文首先对翼型理论、风力机气动设计理论以及噪声基础知识进行了阐述,接着分析了风力机翼型自身噪声的分类和产生机理,提出了一种可行的翼型优化方法,为翼型气动噪声的优化及在叶片中的应用奠定了基础。为了获得高升阻比、低噪声水平的风力机翼型,我们将气动噪声引入到风力机专用翼型的设计中,同时为了评价翼型气动噪声水平,对翼型自身噪声进行了讨论和研究,应用NASA基于大量风场和风洞实验而得到的翼型自身噪声模型进行建模。采用型函数扰动法表示翼型廓线,以翼型自身噪声水平作为优化目标,将气动特性作为性能约束,把翼型相对厚度作为形状约束,建立了翼型的优化设计模型。设计过程中,采用XFOIL获取翼型边界层参数,及对翼型的气动性能进行评价。将流场求解程序和直接优化方法相结合,采用改进后的复合形法进行搜索寻优,用MATLAB编制了优化程序。以NACA4415作为原始翼型在不同雷诺数工况下进行优化设计,得到了具有高气动性能、低噪声水平的风力机专用翼型。将优化前和优化后的翼型分别应用到5KW水平轴风力机叶片的设计中,采用Glauert优化理论对叶片进行了简单的气动外形设计,基于翼型自身噪声理论,运用有限单元分段的思想对叶片噪声进行了预测,并比较了叶片采用优化翼型前后的气动性能和噪声性能,结果表明采用优化翼型所设计的叶片在保持较好气动性能的同时,噪声性能也有一定程度的降低,论证了本论文研究方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 全球风电发展现状
• 1.2 国内风电发展现状
• 1.3 本文选题背景和意义
• 1.4 本文主要工作
• 1.5 本文创新点
• 第二章 风力机翼型基本理论
• 2.1 风力机翼型的发展史
• 2.2 翼型的几何参数
• 2.3 翼型的气动特性
• 2.3.1 攻角的影响
• 2.3.2 雷诺数的影响
• 2.3.3 马赫数的影响
• 2.3.4 翼型边界层理论
• 2.4 风力机专用翼型
• 2.5 本章小结
• 第三章 风力机气动设计理论
• 3.1 动量理论
• 3.2 叶素动量理论
• 3.3 叶素动量理论的修正
• 3.3.1 叶尖损失和轮毂损失
• 3.3.2 叶栅理论
• 3.3.3 高推力下的修正
• 3.4 Glauert优化理论
• 3.5 本章小结
• 第四章 风力机翼型气动噪声
• 4.1 噪声基础知识
• 4.1.1 噪声的物理度量
• 4.1.2 噪声频谱
• 4.2 翼型自身噪声
• 4.2.1 湍流边界层尾缘噪声
• 4.2.2 分离流噪声
• 4.2.3 层流边界层脱落涡噪声
• 4.2.4 钝尾缘噪声
• 4.2.5 叶尖涡噪声
• 4.2.6 指向性函数
• 4.3 本章小结
• 第五章 翼型优化方法
• 5.1 翼型的参数化表达
• 5.2 复合形法简介
• 5.2.1 初始复合形的构成
• 5.2.2 复合形法的基本运算
• 5.2.3 复合形法的改进
• 5.3 翼型优化流程
• 5.4 本章小节
• 第六章 翼型优化算例及其应用
• 6.1 翼型优化算例
• 6.2 叶片优化算例
• 6.2.1 总体参数设计
• 6.2.2 叶片气动外形设计
• 6.2.3 叶片气动性能的比较
• 6.2.4 叶片气动噪声的比较
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文
• 个人简历