考虑启动与失速特性的混合翼型小型风电叶片多目标气动优化

The aerodynamic characteristics of small wind turbine blades are the most important factors of the whole small wind turbine system. Regarding to the poor starting performance, low power efficiency and instability of stall delay problems, based on the blade element moment theory, this project investigates the development of aerodynamic models of mixed-airfoil small wind turbine blades with consideration of wake, tip loss and thrust correction; an annual energy production mathematical model will be established with consideration of annual wind speed distribution. The starting performance of mixed-airfoil small wind turbine blades will be investigated; and a corrected aerodynamic model for starting will be established based on airfoil aerodynamic analysis including low Reynolds numbers and high angles of attack effects. Using theoretical analysis, numerical simulation and experimental data analysis, the stall performance of mixed-airfoil small wind turbine blades will be studied; with consideration of three-dimensional rotation effects, a corrected stall model will be built for mixed-airfoil small wind turbines based on the existed stall models. Based on the aerodynamic analysis of the whole wind speed range of mixed-airfoil small wind turbine blades and multi-objective optimisation theory, a multi-objective optimisation method of low start-up wind speed, stable stall and optimal annual energy production for mixed-airfoil small wind turbines will be proposed. This research is of significant importance for widening the range of operation wind speeds, maximisation of annual energy production, stale and safe operation of small wind turbines, and promoting to the mature development of small wind turbine technology.

小型风电叶片气动特性是影响小型风力机整机性能的关键因素。针对小型风力机存在启动慢、效率低和高风失速不平稳等问题，本项目基于叶素动量理论，考虑涡流、叶梢损失和推力修正等，建立小型风力机叶片空气动力学模型；考虑年风速概率分布，建立年能量输出数学模型。考虑低雷诺数和大攻角因素的影响，进行翼型气动分析，研究混合翼型小型风力机叶片启动性能，建立混合翼型叶片启动修正模型。通过理论分析、数值模拟和实验数据分析等手段，研究混合翼型小型风力机叶片高风失速性能；基于现有失速延迟修正模型，考虑三维旋转效应的影响，建立混合翼型叶片失速延迟修正模型。通过混合翼型叶片全风速工况气动机理分析并基于多目标优化理论，形成低风启动、失速平稳和年能量输出最大的多目标叶片气动优化策略与方法。这对拓宽小型风力机工作风速范围、提高小型风力机能量输出和保障安全平稳运行和促进小型风电技术成熟发展具有积极意义。

风电叶片气动特性是影响风力机整机性能的关键因素。小型风力机受低雷诺数流动分离、边界层干扰、叶尖涡、尾涡和湍流等影响，流动复杂，其气动特性研究与优化设计是空气动力学领域最具挑战性的技术。本项目通过开展理论计算、计算流体力学数值模拟和实验研究，建立和发展风力机叶片空气动力学模型，研究低雷诺数风力机气动机理和特性，形成小型风力机叶片多目标优化方法，为国内小型风力机设计提供技术支撑，具有重要学术意义和工程应用价值。本项目主要完成了以下工作：（1）研究了空气动力学理论建模与设计方法，基于叶素动量理论，考虑涡流阻力、叶尖损失，分析了深度失速推力修正、和旋转效应引起的失速延迟对性能预测的影响，发展了修正叶素动量气动模型；考虑年风速概率分布研究小型风力机年能量输出，搭建了小型风力机设计与分析软件平台；（2）进行了风力机叶轮三维旋转流场CFD计算模拟研究，基于RANS方法建模发展了LES/RANS的三维流场数值分析方法；（3）探讨了低雷诺数风力机翼型层流分离机理研究及其流动控制，分析翼型层流分离泡形成机理及其气动特性的影响规律，研究了小型风力机叶片表面流动控制方法及其效果；（4）进行了低雷诺数翼型设计优化及测试分析，形成了低雷诺数单点气动优化，低雷诺数变风速变风向多点优化，以及小型风力机翼型全工况优化设计方法的技术基础。（5）开展了小型风力机叶片多目标优化设计研究以及小型风力机叶片试制与测试，建立以设计叶尖速比和设计攻角以及叶片弦长和扭角为优化变量、以年产量输出最大、失速工况推力最小、启动力矩最大为目标的多层次多目标优化模型，发展了小型风力机叶片多目标优化设计方法。