一种运行工况下H型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法

一种运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法
技术领域
1.本发明属于风力机叶片的优化设计及改型技术领域，尤其是涉及一种利用粒子群(pso)算法耦合计算流体力学(cfd)方法进行垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化的方法。


背景技术：

2.随着离网式风力发电的迅速发展，垂直轴风力机的应用越来越广泛。然而，冻雨、雪等天气条件不可避免地令叶片表面出现结冰现象。由于垂直轴风力机通常在低叶尖速比下运行，较慢的旋转速度使液滴容易进入风轮内部并与叶片内侧充分接触，从而叶片的内、外两侧均会覆盖上冰。而且，当叶片位于上风区或即使位于下风区但其线速度高于来流风速时，前缘相较于尾缘更容易结冰。结冰会增加叶片表面的粗糙度，降低风力机的风能利用率；同时，也会引起叶片静动态负载增大和风轮不平衡性增加，加速叶片的疲劳破坏。然而，叶片受到长期的交变载荷和压力负载才能产生显著的结构危害，但结冰短期内会使叶片的气动性能明显下降。因此，研究合理、有效的防冰方法，改善运行工况下垂直轴风力机叶片结冰后的气动性能，具有重要的理论意义和工程应用价值。
3.垂直轴风力机叶片的防冰方法包括外部处理(热能防冰、涂料防冰等)和翼型设计等。但外部处理方法具有一定的局限性，且翼型的气动性能对风能利用率存在直接的影响。因此，进行结冰环境下翼型的专门设计，例如：翼型型线的直接优化和钝尾缘改型，是减小结冰对叶片性能影响的最佳解决方案。国内外学者针对由沙尘、结冰、风蚀以及昆虫污染等造成表面粗糙的翼型开展了直接优化和钝尾缘改型相关研究。ram等针对由于前缘污染而造成表面粗糙度增大的水平轴风力机叶片，采用多目标遗传算法耦合xfoil软件进行根部、中部以及轮毂区域翼型的优化设计。陈进等分别采用改进的多目标pso算法耦合rfoil软件和遗传算法耦合rfoil软件，进行以翼型型线的控制参数为设计变量、干净与粗糙工况下翼型的升阻比最大为设计目标的优化设计。sun等修正升、阻力系数变化率的权重系数，建立粗糙条件下翼型性能的评价指标，并采用nsga-ii算法耦合xfoil进行以干净与粗糙工况下翼型的升阻比最大、压力系数最小为设计目标的优化设计。zhu等引入新的形状扰动函数进行翼型的参数化表达，利用bem理论耦合xfoil实现以干净与粗糙条件下的升力差最大为约束条件、风轮的实度及其干净与粗糙时的功率系数加权值最大为设计目标的翼型几何优化设计。另外，杨瑞等利用在前缘处叠加细折线模拟粗糙，并分析薄、钝尾缘翼型的气动特性。张旭等通过平移前缘指定位置坐标来添加凸台以模拟粗糙，采用坐标旋转变换和缩放横纵坐标系数相结合对具有粗糙度敏感位置的翼型进行钝尾缘改型，研究改型前后翼型的升阻比、压力系数和流动特性。上述研究结果表明，优化设计和尾缘改型均使得翼型的吸力面逆压梯度减小，流动分离延迟，粗糙位置明显后移，对粗糙位置的敏感性降低，升力系数和升阻比升高。鉴于两者的优势，张旭等采用指数混合函数和b-样条函数构建非对称钝尾缘翼型的参数化控制方程组，应用cfd方法、神经网络和改进的量子粒子群算法相结合优化明冰条件下钝尾缘翼型的型线，使得干净及明冰条件下的气动性能均有所改善。
4.到目前为止，学者们主要是针对表面具有不连续粗糙的水平轴风力机叶片开展优化设计和钝尾缘改型研究的。然而，结冰通常会连续覆盖于叶片表面且形状更加复杂。而且，水平轴风力机的结构与运行原理不同与垂直轴风力机，其结冰分布规律并不适用于垂直轴风力机。因此，国内外针对垂直轴风力机结冰进行一系列研究。李岩等采用黏土作为附着物模拟垂直轴风力机叶片表面前缘的结冰情况，并通过风洞实验分析附着物对垂直轴风力机转速和功率的影响。然而，附着物在形状、质量等方面均与冰存在差异。之后，郭文峰、李岩等利用冰风洞实验，研究垂直轴风力机在低、高叶尖速比下旋转时的结冰特性。与冰风洞实验相比，数值计算具有成本低、风险小、效率高等优点，且能提供结冰冰形相对准确的估计，在结冰研究中具有一定优势。李岩等基于二维不可压缩稳态流中的n-s方程，并采用离散相位模型计算不同风速和冷水流量条件下的静态垂直轴风力机各个攻角时的翼型结冰分布。由于运行工况下垂直轴风力机叶片的相对速度随方位角时刻变化，且叶片尾流与下游叶片的相互作用会产生较为复杂的流动，因此实现非定常结冰模拟具有极大的困难。但是，可以通过指定方位角和单次结冰时间进行结冰模拟，预测准稳态下垂直轴风力机叶片的结冰形状。manatbayev等采用多参考坐标系模型来考虑液滴场的旋转效应，进而预测不同攻角下垂直轴风力机叶片的结冰形状。baizhuma等利用滑移网格模型和多参考坐标系模型相结合进行垂直轴风力机准稳态结冰计算，并与实验结果比较分析。
5.上述研究表明，优化设计和钝尾缘改型可以提高风力机叶片在干净、污染以及结冰条件下的气动性能。然而，迄今而止，对运行工况下的垂直轴风力机进行钝尾缘风轮防冰优化设计的研究并没有涉及。


技术实现要素：

6.本发明要解决的问题是提供一种运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法，该方法通过建立h型垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组，明确钝尾缘风轮防冰优化模型的设计变量和设计目标；利用fluent-solution模块和fluent-icing模块在每间隔45
°
方位角上进行稳态条件下结冰，获得风轮旋转一周后的冰形；采用pso算法耦合cfd方法进行优化模型求解，提出运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法，实现结冰环境下风轮的尾流长度和区域的减小以及流动分离的减弱，很大程度上提升了风力机的风能利用率。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
8.步骤(1)，钝尾缘风轮防冰优化模型构建：采用中弧线-厚度函数、坐标的旋转-缩放和气动设计理论，构建h型垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组：
[0009][0010]
式中：α＝arcsin(il/c)，β＝-arcsin((1-i)l/c)；l为钝尾缘厚度；i为钝尾缘厚度分配比；p1，a1，b1，q1，g1，h1，p2，a2，b2，q2，g2，h2为翼型的形状控制因子；c为翼型弦长；xk为尖尾缘翼型某控制点的横坐标；(x
″k，y
″k)为钝尾缘翼型某控制点的坐标；k＝1、2分别代表翼型的上、下面；(x
kt
、y
kt
)为原翼型最大相对厚度处的坐标，(x
′
kt
、y
′
kt
)为坐标旋转-缩放后翼型最大相对厚度处的坐标；(xk，yk，zk)为控制点的全局坐标，全局坐标系xyz的原点选择在风轮的几何中心；r为风轮半径；h为叶片长度且p为额定功率，ρ为空气密度，u0为额定风速，c
p
为风能利用率；ih为高径比且ih＝h/d，d为风轮直径；b为叶片数；n为额定转速；
[0011]
以干净和结冰条件下风能利用率同时最大为设计目标，以翼型的形状控制因子、弦长、钝尾缘厚度和其分配比以及叶片长度、风轮半径为设计变量，建立钝尾缘风轮防冰优化模型；
[0012]
步骤(2)，旋转风轮的结冰模拟：利用gambit软件，生成风轮的几何模型、计算域和网格；采用滑移网格模型分析风轮的非定常空气流场，利用多参考坐标系模型模拟液滴场并计算水滴收集系数，基于传热传质分析确定结冰的质量和冰形，根据水冻结率、结冰面积和时间等计算结冰厚度并更新网格；每间隔45
°
方位角重复上述过程，获得风轮旋转一周后的冰形；
[0013]
步骤(3)，钝尾缘风轮防冰优化模型求解：采用粒子群算法耦合计算流体力学方法，求解钝尾缘风轮防冰优化模型；
[0014]
步骤(4)，通过步骤(1)至步骤(3)实现运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计。
[0015]
由于采用上述技术方案，与现有方法相比，本发明一种运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法，应用中弧线-厚度函数、坐标的旋转-缩放和气动设计
理论建立h型垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组，可明确钝尾缘风轮防冰优化模型的设计变量和设计目标；利用fluent-solution模块和fluent-icing模块在每间隔45
°
方位角上进行稳态条件下结冰，可获得风轮旋转一周后的冰形；采用pso算法耦合cfd方法进行优化模型求解，可使得风轮的尾流长度和区域减小以及流动分离减弱，从而提升了结冰环境下风力机的风能利用率。本发明方法解决了所述的问题，为运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计提供了技术支持和重要参考。
附图说明
[0016]
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
[0017]
图1是本发明运行工况下钝尾缘风轮准稳态结冰的流程图；
[0018]
图2是本发明运行工况下钝尾缘风轮防冰优化设计的流程图；
[0019]
图3是本发明优化设计过程中风轮的计算域图；
[0020]
图4是本发明原始风轮和优化风轮结冰前后的风能利用率图。
具体实施方式
[0021]
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
[0022]
本发明一种运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法基于以下设计思想：
[0023]
1、采用中弧线-厚度函数、坐标的旋转-缩放和气动设计理论，建立h型垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组，以明确钝尾缘风轮防冰优化模型的设计变量和设计目标；
[0024]
2、通过利用fluent-solution模块和fluent-icing模块在每间隔45
°
方位角上进行稳态条件下结冰，以获得垂直轴风力机风轮旋转一周后的冰形；
[0025]
3、以干净和结冰条件下风能利用率同时最大为设计目标，建立设计变量计及翼型的形状控制因子、弦长、钝尾缘厚度和其分配比的运行工况下钝尾缘风轮防冰优化模型，以防止未计及旋转效应和尾缘厚度几何参数造成风轮防冰优化模型的准确度降低。
[0026]
解决所述技术问题，本发明从垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组建立、旋转风轮的结冰模拟以及钝尾缘风轮防冰优化模型的构建等方面进行了创新设计：
[0027]
1、垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组建立
[0028]
为了确定钝尾缘风轮防冰优化的设计变量和设计目标，采用中弧线-厚度函数、坐标的旋转-缩放和气动设计理论相结合，建立h型垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组。
[0029]
2、旋转风轮的结冰模拟
[0030]
为了获得垂直轴风力机风轮旋转一周后的冰形，采用滑移网格模型分析风轮的非定常空气流场，利用多参考坐标系模型模拟液滴场并计算水滴收集系数，基于传热传质分析确定结冰的质量和冰形，根据水冻结率、结冰面积和时间等计算结冰厚度并更新网格，最后每间隔45
°
方位角重复上述过程。
[0031]
3、钝尾缘风轮防冰优化模型的构建
[0032]
以翼型的形状控制因子、弦长、钝尾缘厚度和其分配比以及叶片长度、风轮半径为设计变量，构建钝尾缘风轮防冰优化模型，该模型在干净和结冰条件下风能利用率同时最大。
[0033]
本发明一种运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法，包括以下步骤：
[0034]
步骤(1)，钝尾缘风轮防冰优化模型构建：采用中弧线-厚度函数、坐标的旋转-缩放和气动设计理论，构建h型垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组：
[0035][0036]
式中：α＝arcsin(il/c)，β＝-arcsin((1-i)l/c)；l为钝尾缘厚度；i为钝尾缘厚度分配比；p1，a1，b1，q1，g1，h1，p2，a2，b2，q2，g2，h2为翼型的形状控制因子；c为翼型弦长；xk为尖尾缘翼型某控制点的横坐标；(x
″k，y
″k)为钝尾缘翼型某控制点的坐标；k＝1、2分别代表翼型的上、下面；(x
kt
、y
kt
)为原翼型最大相对厚度处的坐标，(x
′
kt
、y
′
kt
)为坐标旋转-缩放后翼型最大相对厚度处的坐标；(xk，yk，zk)为控制点的全局坐标，全局坐标系xyz的原点选择在风轮的几何中心；r为风轮半径；h为叶片长度且p为额定功率，ρ为空气密度，u0为额定风速，c
p
为风能利用率；ih为高径比且ih＝h/d，d为风轮直径；b为叶片数；n为额定转速；
[0037]
以干净和结冰条件下风能利用率同时最大为设计目标，以翼型的形状控制因子、弦长、钝尾缘厚度和其分配比以及叶片长度、风轮半径为设计变量，建立钝尾缘风轮防冰优化模型；
[0038]
步骤(2)，旋转风轮的结冰模拟：利用gambit软件，生成风轮的几何模型、计算域和网格；采用滑移网格模型分析风轮的非定常空气流场，利用多参考坐标系模型模拟液滴场并计算水滴收集系数，基于传热传质分析确定结冰的质量和冰形，根据水冻结率、结冰面积
和时间等计算结冰厚度并更新网格；每间隔45
°
方位角重复上述过程，获得风轮旋转一周后的冰形；
[0039]
步骤(3)，钝尾缘风轮防冰优化模型求解：采用粒子群算法耦合计算流体力学方法，求解钝尾缘风轮防冰优化模型；
[0040]
步骤(4)，通过步骤(1)至步骤(3)实现运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计。
[0041]
本发明未述及之处适用于现有技术。
[0042]
实施例：
[0043]
1、选用具有naca642-015a翼型的100w h型垂直轴风力机为研究对象，翼型和风轮的参数如下：naca642-015a翼型是一种在40％弦长处具有15％最大相对厚度且最大相对弯度为0％的翼型；叶片数目b为3；额定风速u0为7m/s；空气密度为ρ为1.25kg/m3；风轮转速n为200r/min；高径比ih＝1.1；风能利用率c
p
取0.3；d＝1.189m；h＝1.308m；c＝0.313m；λ＝1.778。
[0044]
2、钝尾缘风轮防冰优化模型构建
[0045]
采用中弧线-厚度函数、坐标的旋转-缩放和气动设计理论，建立h型垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组；以干净和结冰条件下风能利用率同时最大为设计目标，以翼型的形状控制因子、弦长、钝尾缘厚度和其分配比以及叶片长度、风轮半径为设计变量，建立钝尾缘风轮防冰优化模型。
[0046]
3、旋转风轮的结冰模拟
[0047]
利用fluent-solution模块和fluent-icing模块在每间隔45
°
方位角上进行稳态条件下结冰(即准稳态结冰)，获得垂直轴风力机风轮旋转一周后的冰形，准稳态结冰流程图如图1所示。具体结冰参数如下：lwc为2.32g/m2，mvd为40μm，t为253.15k，时间为15分钟。
[0048]
4、结冰环境下钝尾缘风轮的优化设计
[0049]
利用gambit软件、fluent-solution和fluent-icing模块耦合pso算法，进行结冰环境下垂直轴风力机运行时钝尾缘风轮的优化设计，优化流程图和风轮计算域分别如图2和图3所示；分析优化前后风轮在干净和结冰条件下的风能利用率，结果如图3所示。pso算法参数如下：惯性权重w取0.9，学习因子c1、c2均取0.5，变量维数为16，种群大小为20，最大迭代次数为200。
[0050]
结果表明，防冰优化后，翼型的最大相对厚度、位置以及相对弯度均不变，弦长、叶片的长度减小，风轮的半径增加；尖、钝尾缘风轮的风能利用率在结冰后分别下降26.7％和21.7％，钝尾缘风轮的风能利用率相较于尖尾缘风轮的在干净和结冰条件下均提高，且结冰钝尾缘风轮的风能利用率仅略小于干净尖尾缘风轮的。
[0051]
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.一种运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)，钝尾缘风轮防冰优化模型构建：采用中弧线-厚度函数、坐标的旋转-缩放和气动设计理论，构建h型垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组：式中：α＝arcsin(il/c)，β＝-arcsin((1-i)l/c)；l为钝尾缘厚度；i为钝尾缘厚度分配比；p1，a1，b1，q1，g1，h1，p2，a2，b2，q2，g2，h2为翼型的形状控制因子；c为翼型弦长；x
k
为尖尾缘翼型某控制点的横坐标；(x
″
k
，y
″
k
)为钝尾缘翼型某控制点的坐标；k＝1、2分别代表翼型的上、下面；(x
kt
、y
kt
)为原翼型最大相对厚度处的坐标，(x
′
kt
、y
′
kt
)为坐标旋转-缩放后翼型最大相对厚度处的坐标；(x
k
，y
k
，z
k
)为控制点的全局坐标，全局坐标系xyz的原点选择在风轮的几何中心；r为风轮半径；h为叶片长度且p为额定功率，ρ为空气密度，u0为额定风速，c
p
为风能利用率；i
h
为高径比且i
h
＝h/d，d为风轮直径；b为叶片数；n为额定转速；以干净和结冰条件下风能利用率同时最大为设计目标，以翼型的形状控制因子、弦长、钝尾缘厚度和其分配比以及叶片长度、风轮半径为设计变量，建立钝尾缘风轮防冰优化模型；步骤(2)，旋转风轮的结冰模拟：利用gambit软件，生成风轮的几何模型、计算域和网格；采用滑移网格模型分析风轮的非定常空气流场，利用多参考坐标系模型模拟液滴场并计算水滴收集系数，基于传热传质分析确定结冰的质量和冰形，根据水冻结率、结冰面积和时间等计算结冰厚度并更新网格；每间隔45
°
方位角重复上述过程，获得风轮旋转一周后的冰形；步骤(3)，钝尾缘风轮防冰优化模型求解：采用粒子群算法耦合计算流体力学方法，求解钝尾缘风轮防冰优化模型；
步骤(4)，通过步骤(1)至步骤(3)实现运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计。2.根据权利要求1所述的运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法，其特征在于：在步骤(1)建立h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化模型以及步骤(2)通过依次在等间隔方位角上执行稳态结冰模拟获得旋转风轮的冰形后，结合粒子群算法进行运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化。3.根据权利要求1或2所述的运行工况下h型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法，其特征在于：尖、钝尾缘风轮的风能利用率在结冰后分别下降26.7％和21.7％，钝尾缘风轮的风能利用率相较于尖尾缘风轮的在干净和结冰条件下均提高，且结冰钝尾缘风轮的风能利用率仅略小于干净尖尾缘风轮的。

技术总结
本发明公开了一种运行工况下H型垂直轴风力机的钝尾缘风轮防冰优化设计方法，包括以下步骤：采用中弧线-厚度函数、坐标的旋转-缩放和气动设计理论，构建H型垂直轴风力机钝尾缘风轮的几何外形控制方程组；以干净和结冰条件下风能利用率同时最大为设计目标，以翼型的形状控制因子、弦长、钝尾缘厚度和其分配比以及叶片长度、风轮半径为设计变量，建立钝尾缘风轮防冰优化模型；利用FLUENT-Solution和FLUENT-Icing模块在每间隔45


技术研发人员：张旭 崔冷双 李伟
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/9