一種利用貝塞爾函數(shù)曲線的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，提出一種風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法，具體涉及 一種利用貝塞爾函數(shù)曲線的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 翼型設(shè)計(jì)是風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)中的第一步，翼型廓線的設(shè)計(jì)對(duì)于風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外 形的設(shè)計(jì)尤為重要。在風(fēng)力機(jī)翼型廓線設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須考慮提高翼型的氣動(dòng)性能以提 高風(fēng)輪的利用率及降低發(fā)電量成本等。
[0003] 風(fēng)力機(jī)翼型的發(fā)展是建立在低速翼型應(yīng)用的基礎(chǔ)上的，例如滑翔機(jī)翼型、FX-77翼 型以及NASA LS翼型等。為了適應(yīng)風(fēng)力機(jī)工作要求，從20世紀(jì)80年代國(guó)外開(kāi)始研制風(fēng)力 機(jī)專(zhuān)用翼型，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多個(gè)系列的翼型，主要有美國(guó)的NREL-S系列翼型、丹麥的RIS 系列翼型、荷蘭的DU系列翼型和瑞典的FFA-W系列翼型。在國(guó)內(nèi)，對(duì)風(fēng)力機(jī)專(zhuān)用翼型的研 制也有了初步的發(fā)展，對(duì)于翼型的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要分反設(shè)計(jì)法和正設(shè)計(jì)法，目前比較先進(jìn)的 是基于參數(shù)化的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)正設(shè)計(jì)方法，該方法根據(jù)翼型廓線與翼型坐標(biāo)之間的函數(shù) 關(guān)系，通過(guò)改變參數(shù)系數(shù)即可變化出無(wú)數(shù)形狀不同的風(fēng)力機(jī)翼型。
[0004] 但是，該方法由于翼型廓線控制點(diǎn)較多，參數(shù)變量增多，這給翼型設(shè)計(jì)與優(yōu)化帶來(lái) 較大的難度，而且優(yōu)化計(jì)算時(shí)間也增多，不利于翼型的參數(shù)化優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種只需通過(guò)幾個(gè)有限的點(diǎn)便可控制空間 復(fù)雜曲線的變化，且空間點(diǎn)便于調(diào)整，容易實(shí)現(xiàn)翼型的參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種利用貝塞爾函數(shù)曲線的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法， 其特征在于：采用三階貝塞爾函數(shù)，該函數(shù)只需4個(gè)控制點(diǎn)即能表征一段曲線，而且首尾兩 點(diǎn)是固定不變的，故一段曲線只需變化兩個(gè)控制點(diǎn)；將翼型的上、下翼面分別用一段曲線表 示，且上、下翼面首尾兩個(gè)頂點(diǎn)重合，然后首尾兩端點(diǎn)平滑連接即可。
[0007] 作為優(yōu)選，所述的貝塞爾函數(shù)為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用貝塞爾函數(shù)曲線的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法，其特征在于：采用三階貝塞爾函 數(shù)，該函數(shù)只需4個(gè)控制點(diǎn)即能表征一段曲線，而且首尾兩點(diǎn)是固定不變的，故一段曲線只 需變化兩個(gè)控制點(diǎn)；將翼型的上、下翼面分別用一段曲線表示，且上、下翼面首尾兩個(gè)頂點(diǎn) 重合，然后首尾兩端點(diǎn)平滑連接即可。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用貝塞爾函數(shù)曲線的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述的貝塞爾函數(shù)為：
其中，P(t)為所求的曲線二維或者三維空間坐標(biāo)點(diǎn)，Pk為各頂點(diǎn)的位置向量，Bk，n(t)為 伯恩斯基函數(shù)，表達(dá)式為：
所述的三階貝塞爾函數(shù)為： P (t) = P〇B〇，3 (t) +P1B1,3 (t) +P2B2,3 (t) +P3B3,3 (t) (3)； 其中：Bcu= l_3t+3t 2_t3, Bli3= 3t_6t 2+3t3, B2,3= 3t 2_3t3, B2,3= 3t3; 因此，三階貝塞爾函數(shù)能表示為： P(t) = (l-3t+3t2-t3)P0+(3t-6t2+3t 3)P1+(3t2-3t3)P2+3t 3P3 (4)； 寫(xiě)成矩陣的形式來(lái)表示翼型上、下翼面廓線坐標(biāo)：
式（5)即為翼型廓線設(shè)計(jì)模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用貝塞爾函數(shù)曲線的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 采用智能算法對(duì)翼型設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，其具體流程包括以下步驟： 步驟1 :確定設(shè)計(jì)變量、確定目標(biāo)函數(shù)及確定約束條件； 步驟2 :初始化設(shè)計(jì)變量； 步驟3 :將變量導(dǎo)入翼型廓線設(shè)計(jì)模型中； 步驟4:判斷，是否為翼型？ 若是，則計(jì)算適用度值，并順序執(zhí)行下述步驟5 ; 若否，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述的步驟2 ; 步驟5 :根據(jù)適應(yīng)度更新相關(guān)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)包括：翼型的設(shè)計(jì)變量、迭代次數(shù)、比例因 子、權(quán)重系數(shù)； 步驟6 :判斷，是否滿(mǎn)足翼型幾何型線要求？ 若否，則自適應(yīng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，并回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述的步驟2 ; 若是，則輸出新翼型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用貝塞爾函數(shù)曲線的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 步驟1中所述的確定設(shè)計(jì)變量，首先選取翼型上、下翼面共4個(gè)控制點(diǎn)8個(gè)變量作為優(yōu)化設(shè) 計(jì)變量，則設(shè)計(jì)變量為：
所述的目標(biāo)函數(shù)為： f (x) = max( μ I · C1Zcd+ μ 2 · cr Jc' d) (7)； 式中，U1, U2為運(yùn)行工況在光滑與粗糙條件下的權(quán)值系數(shù)，卜11，卜1尤[0 1]，且μ1+μ2 = l;Cl/cd，C' i/c' d分別為翼型在光滑和粗糙狀況下的升阻比；Cl，cd為光滑條件下翼型升 力系數(shù)和阻力系數(shù)； d為粗糙條件下翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)； 所述的約束條件包括變量邊界約束條件、翼型最大厚度弦向位置約束條件、翼型前緣 半徑約束條件； 其中所述的變量邊界約束條件為： Xmin彡 X 彡 Xmax (8); 變量邊界約束范圍如表1 ; 表1變量邊界約束范圍
所述的翼型最大厚度弦向位置約束條件為： 0. 24 ^ Lmax^ 0. 35 (9)； 所述的翼型前緣半徑約束條件，通過(guò)翼型10%弦長(zhǎng)處的上下翼面點(diǎn)進(jìn)行控制： 0. 02 (IO)0
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用貝塞爾函數(shù)曲線的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 步驟4中所述的計(jì)算適用度值，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是通過(guò)目標(biāo)函數(shù)f(x) =maX(yl · C1/ cd+y2.c' Vc' d)計(jì)算適用度值。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用貝塞爾函數(shù)曲線的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法，采用三階貝塞爾函數(shù)，該函數(shù)只需4個(gè)控制點(diǎn)即能表征一段曲線，而且首尾兩點(diǎn)是固定不變的，故一段曲線只需變化兩個(gè)控制點(diǎn)；將翼型的上、下翼面分別用一段曲線表示，且上、下翼面首尾兩個(gè)頂點(diǎn)重合，然后首尾兩端點(diǎn)平滑連接即可。本發(fā)明可以利用空間上幾個(gè)點(diǎn)更方便有效地控制翼型廓線，減少了翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高了翼型設(shè)計(jì)的效率；設(shè)計(jì)出來(lái)的翼型具有很高的升力系數(shù)，從而降低葉片的弦長(zhǎng)，減輕葉片所需的材料；具有較高的升阻比，從而可以提高風(fēng)能利用系數(shù)；本發(fā)明可以推廣到各種厚度的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)、飛機(jī)翼型設(shè)計(jì)及渦輪機(jī)葉片型線等復(fù)雜曲線設(shè)計(jì)，具有良好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
【IPC分類(lèi)】F03D11-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104863799
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510183743
【發(fā)明人】汪泉, 王君, 孫金風(fēng), 游穎, 鄔述暉, 任軍, 魏瓊
【申請(qǐng)人】湖北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年4月17日