基于表面曲率光滑连续性的风力机叶片气动外形与结构拓扑设计理论

The design method of airfoil profiles is studied considering continuous angle of attack. The effect relationship between the curvature smooth continuity and aerodynamic performances are discussed. From the mathematical expressed model of the curvature smooth continuity and structural topology for the wind turbine blade, the coupled principle between the aerodynamic performances and structural topology is studied on the effect of aerodynamic, elastic force, centrifugal force and so on. The optimal mathematical model of the aerodynamic shape and structural multi-scale topology for the wind turbine blade is built using multi-disciplinary collaborative optimal design method and theory. Considering the coupling influence between the blade aerodynamic shape and flexible structure, the full-performance wind turbine blade which is characterized by light weight, high output power, curvature smooth continuity and widespread used is designed. The innovatory theory and method of the wind turbine blade aerodynamic shape and structural topology are proposed. The aerodynamic and structural characteristics of the design blades will be validated with wind tunnel experiment. This newly design method is different from the traditional serial design method which the blade aerodynamic shape and the structural topology are independent. This new ideas of the collaborative method based on the smooth continuous blade aerodynamic shape and structural multi-scale topology is proposed. The achievements of this project not only have very important significance to improve the design level of wind turbine blades, but also can advance manufacturing capability of wind power equipment.

研究连续攻角情况下风力机专用翼型廓线设计方法，探讨表面曲率光滑连续性与风力机翼型气动特性的相互影响规律，从三维叶片表面曲率光滑连续性与结构可拓控制函数解析表达模型出发，研究在气动力、弹性力及离心力等交互作用下风力机叶片气动性能与结构拓扑的耦合机理，并结合多学科协同优化设计方法与思想，建立风力机叶片气动形状与结构多尺度拓扑协同优化设计数学模型，充分考虑叶片气动形状与柔性结构之间的耦合效应设计出具有结构重量轻、捕风效率高、翼面光滑性连续性好、适用范围广的全性能风力机叶片，形成风力机叶片气动外形与结构拓扑协同设计的新理论与新方法，并通过风洞实验对设计叶片模型性能进行测试和验证。本研究突破了传统的风力机叶片气动设计与结构拓扑设计相互独立的设计方法，提出了基于表面曲率光滑连续性的风力机叶片气动形状与结构多尺度拓扑协同设计的新思想，对我国风力机叶片设计及风电装备制造业自主研发水平都具有重要的意义。

风力机专用翼型及叶片气动形状设计理论是决定风力机功率特性及载荷特性的根本因素，一直是各国学者研究的热点所在。目前叶片专用翼型廓线的设计都是在单点攻角情况下，基于特定的几何轮廓，来研究其空气动力学特性，并进行参数的设计和优化。并没有考虑连续攻角情况下风力机翼型的设计与优化。因此，这就引发我们考虑连续攻角情况下翼型的设计方法与优化，不片面追求局部攻角范围内的高气动性能，寻求在更广泛的攻角范围内其气动性能整体提高。关键问题在于翼型廓线数学模型表征方法及优化设计过程中，并没有考虑翼型廓线的曲率光滑连续性。以往对于风力机叶片的研究，都是采用叶片气动性能与结构单独进行设计，并没有对风力机叶片进行气动性能与结构多尺度拓扑设计，而叶片的气动外形参数设计阶段未考虑叶片形状变形与内部结构设计之间的相互影响和耦合关系。本申请项目提出“基于表面曲率光滑连续性的风力机叶片气动外形与结构拓扑设计理论”的研究课题，从三维复杂叶片表面曲率光滑连续性与结构可拓控制函数解析表达模型出发，建立风力机叶片气动外形与结构拓扑优化设计模型。. 结合翼型泛函集成理论及复杂型线表面曲率光滑连续性思想，提出连续攻角情况下风力机翼型廓线设计新方法，以解决翼型优化设计中其气动力难以收敛这一关键问题，并实现翼型整体气动性能的提高；研究了基于风轮性能及轻量化的风力机叶片及翼型优化设计、低噪声风力机叶片气动外形优化设计、气动载荷作用下的风力机叶片结构拓扑设计和风力机叶片翼段非线性气动弹性分析等。本研究打破了传统的叶片形状与结构设计思想，提出了基于表面曲率光滑连续性的叶片气动性能与复合材料风力机叶片内部结构可拓性协同设计的新思想，为风力机叶片的开发提供强有力的技术支持，具有重要的理论意义与工业应用价值。