风力机翼型的多尺度流场特性影响及协控机制研究

The increasing of the capacity of wind turbines and diversity of wind fields emphasizes multi-scale factors that influence the flow characteristics of blades. And the airfoils' flow conditions (Reynolds number, turbulent intensity, surface roughness and angle of attack, et al) become more diverse and uncertain, which bring a great challenge for the study of flow control of the rotor blades and design of wind turbine airfoils. In order to develop dedicated airfoils with the philosophy of "high efficiency, low load, stable and wide operating angles of attack" applying to diverse requirements, the research subject of proposal will perform the following investigations: 1) analyze the effects of multi-scale factors as macroscopic wind distributions, wind field features and rotating blades on the flow characteristics of the blade surface. 2)employ the method of uncertainty analysis based interval model to reveal the influence mechanism of uncertain flow parameters on the airfoils' performance though comparative study of wind field measurements, wind tunnel tests and CFD calculations; 3) based previous researches, establish the multi-discipline objective function of airfoils' performance and distribution mechanism of weight coefficients considering uncertain flow effects, build robust optimization mechanical model, and finally form the mechanism of the flow coordinate control and design theory of wind turbine airfoils in the condition of complex flow. The completion of proposal subject will promote the design theory of wind turbines airfoils suited for Chinese wind distribution characteristics, and provide new basic support for satisfying diverse requirements of MW rotor blades in our country.

风力机单机容量大型化和运行环境的多样化发展突显了叶片流动的多尺度影响因素，翼型流动条件（如雷诺数、湍流度、表面粗糙度、攻角变化等）的多样性和不确定性，构成了风电叶片的流动控制机制及风力机翼型设计理论研究的重要挑战。为实现具有"高效、低载、稳定和宽广工作范围"的风力机翼型设计思想，课题拟开展如下研究：1）分析宏观风资源、风场特征及叶片旋转平面等多尺度流场因素对叶片表面流动的影响；2）采用基于区间模型的不确定分析方法，通过实际风场叶片测试，风洞翼型实验和CFD数值模拟的对比研究，揭示不确定流动参数对翼型气动性能的影响机理；3）基于以上研究，建立翼型性能的多学科目标函数和考虑不确定性流动的权重系数分配机制，构建稳健优化数学模型，最终形成复杂来流条件下翼型的流动协调控制机制及设计理论。课题的完成将推动适合我国风资源特点的风力机翼型设计理论的发展，为满足我国大型风电叶片多样化需求提供新的基础支撑。

风力机单机容量大型化和运行环境多样化突显了叶片流动的多尺度影响因素，翼型流动条件（如雷诺数、湍流度、表面粗糙度、攻角变化等）的多样性和不确定性，构成了风电叶片的流动控制机制及风力机翼型设计理论研究的重要挑战。. 本项目在分析风电叶片多尺度流场特性的基础上，采用外场测试方法研究了不确定性的入流条件对叶片及其截面翼型气动特性的影响；结合数值计算评估了翼型性能对复杂流动条件变化的敏感性；通过风洞实验重点研究了风力机厚翼型的雷诺数负效应，揭示不确定流动参数对翼型气动性能的影响机理。进而结合叶片性能需求，提出了“低噪声、高强度以及高效、低载、稳定、宽工作范围等复杂气动特征的协同设计准则；通过完善翼型性能参数响应机制和考虑不确定流动条件影响的权重系数分配机制，建立了翼型优化设计数学模型；集成最优化算法、多学科分析方法和不确定性分析方法，搭建了翼型的协同优化设计平台，包括综合性能设计平台以及稳健优化设计平台等，最终形成了复杂来流条件下翼型的流动协调控制机制及设计理论。根据以上研究，以多兆瓦级风电叶片的运行条件和设计需求为参考，依次开展了叶片中部厚翼型的气动优化案例设计，外侧薄翼型的综合优化案例设计以及根部大厚度翼型的稳健优化案例设计。设计结果验证了项目所提方法可以实现不同叶片需求的翼型协同控制设计，同时形成了新一代CAS翼型族系列。其中厚翼型已经完成了风洞测试，部分应用到实际风场的100kW实验风力机叶片上。. 在该项目经费的资助下，共发表学术论文14篇（其中SCI论文6篇，EI论文4篇），申请国家发明专利14项，较好地完成了本项目的拟定目标。项目相关的研究成果可推动适合我国风资源特点的风力机翼型设计理论的发展，为满足我国大型风电叶片多样化需求提供新的基础支撑。