水平轴风力机叶片气动设计文献综述
随着社会经济的高速发展，常规化石能源的日益稀缺，大规模的开发和利用可再生能源已成为世界各国保障能源安全的重要举措和必由之路。风能作为一种无污染、可再生、高效清洁的替代能源，在近30年来发展尤为迅猛[1]。风力机是将风能转换为机械能的一种装置，风力机叶片气动外形决定风机的效率，同时叶片上产生的非定常气动载荷是风电机组载荷的主要来源，因而风力机叶片气动外形的优化设计在风力机设计和制造中占据了很重要的地位。叶片气动设计的目标是给出气动性能优秀的叶片外形，并且使叶片有相对较小的极限载荷和较好的载荷分布特性。
目前常被提及的气动性能分析方法共分为三种，按理论模拟精度由低到高分别是：叶素动量（Blade Element Momentum，BEM）理论、涡尾迹方法、计算流体力学（Computional Fluid Dynamics，CFD）方法。目前风力机的设计都是以这些基本理论为基础的。
BEM理论[2]是风力机气动计算中的经典模型，其基本思路是将风轮流管离散成一系列连续且宽度足够小的圆周形微流管，每个微流管包含的叶片部分称为叶素，叶素可以认为是二元翼型，并假设相邻维流管中流体流动相互独立，每个微流管内的动量或压力损失都是为驱动叶素的旋转而造成的。经典的BEM理论基于二元准定常假设，在处理各种非轴向流和非定常流时存在先天缺陷，因此必须结合各种修正模型来提高精度和扩展使用范围。目前已有的修正有有限叶片数修正、叶尖轮毂损失修正[3]、叶珊效应[2]、轴向速度诱导因子修正[4]等。涡尾迹方法[5]是将风轮完全置于一个复杂的涡系当中，将其运行所形成的流场速度用自由来流速度和涡系诱导速度合成描述，以此求取我们需要的气动物理量。CFD方法是一种基于Euler方程和N-S方程等流动控制方程对流体运动开展高精度模拟的数值方法[6,7] ，其基本原理是将时间和空间域上的连续物理量场，用有限的离散点的集合替代。
由于后两种理论计算量较大，不能满足于风力机日常设计的快速计算要求，目前普遍采用的计算理论是BEM理论。
基于上述理论可进行气动外形设计。风力机叶片的气动设计主要是在保证叶片强度的条件下，从风中获得最佳功率。此过程需选择合适的翼型，设计叶片各截面的弦长、厚度和扭角的分布。目前风力机叶片气动设计方法按照流程的不同可分为正向设计和反向设计。
正向设计（或基于分析的设计）方法，设计过程为给定叶片外形，计算叶片性能，若不满足设计要求则改进输入参数，直到满足所需的性能要求。目前正向优化设计的目标函数主要有三种：风轮风能利用系数，输出功率，单位输出功率成本。如，文献[8,9]以风能利用系数最大化为设计目标，以弦长和桨距角为设计变量，以设计风速为计算风况，在得到轴向、切向诱导因子后进一步得出叶片控制截面及其他截面的几何参数和控制参数；文献[10]以年输出功率为目标函数，将叶片弦长和扭角参数化表达为贝塞尔曲线，采用遗传算法获得优化叶片；文献[11]以单位输出功率成本为目标函数，考虑叶片扭角、相对厚度、推力以及转矩约束，采用Matlab中fmincon函数进行优化计算获得优化叶片。其中，常用于正向设计的优化算法有响应面法[12-14]、遗传算法[15-18]、粒子群算法[19,20]等。
虽然正向设计有许多优点，但也存在耗时较长，所需的转子特征不能直接确定等缺点。比如弦长和扭角的确定需要沿叶片分布的气动性能参数（如均匀来流），以便得到所需的转子气动性能，以及剖面升力系数以便获得最佳的局部升阻比。同样，如果转子运行在定桨或定风速模式，为了避免风轮发电机损伤，峰值转子功率需要被限定。另外，在概念设计初级阶段，需要考虑一些所需的转子特性例如升力特性、来流特性、叶片长度、转子转速等。
反向设计则是先设定预期的气动参数值，然后对相应的几何外形变量进行迭代优化。使用逆向设计可克服正向设计的不足，还可缩短设计周期，提高设计水平[6]。目前的反设计法常采用的模型有Glauert、Wilson以及修正后的动量叶素理论模型。
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
