基于遗传算法的翼型优化

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文基于遗传算法的翼型优化姓名：方静申请学位级别：硕士专业：流体力学指导教师：张亮20070301哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：当箨日期：劲町年弓月fz日哈尔滨]==程大学硕十学位论文第1章绪论1．1背景及意义风能作为一种清洁的可再

2、生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2．74X109MW，其中可利用的风能为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大lO倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量约2．53亿千瓦。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。近5年来，世界风能市场每年都以40％的速度增长。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25％。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。全国风电装机总容量达到126万千瓦，位居世界第lO位，亚洲第三位，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2005年，中国发电设备容量规模取得历史性突破，发电生产结构也进

3、一步优化，其中风电投产发电设备容量超过了100万千瓦。截至2005年年底，全国发电设备容量为51718．48万千瓦，同比增长16．91％。其中，水电约占总容量22．7％，火电约占总量75．67％，核电占总量1．32％，风电总量0．2％，可见风电设备装机容量所占比例还相当低。中国风电行业发展比较迅速，但与国际风电行业的发展水平还有很大差距，国内的风电设备主要依靠进口，对外依赖性强，虽然风电成本已下降很多，但相比火电成本的优势在短期内并不会明显突出，风电行业的发展还有很多的阻碍因素。正是风电行业投资的高风险，必然为风电行业发展带来高收益，不论是风电产业的经济效益、对社会的效益，还是中国目前奉

4、行的可持续发展和节约战略，这些都为发电行业提供了很大的发展空间。现在，风能发电成本已经下降到1980年的1／5。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃能发电竞争。目前，风力发电的主要形式是通过风机装置将风能转化为电能，当前国际上技术比较成熟的风机型式主要有水平轴和垂直轴两种，图1．1所示为水平轴风机，图1．2所示为垂直轴风机。目前国际上投入商业运行的风机主要是水平轴风机，占领了当前风力发电的大部分市场，但是水平轴风电机组在哈尔滨工程大学硕十学位论文进一步大型化时因其自身的缺陷受到限制。于是，大型垂直轴风电机组的研制工作目前也逐渐成为热点。图1．1水平轴风机图1．2垂

5、直轴风机风机性能的好坏取决于其叶片的气动力性能，而叶片的气动力性能又与其翼型有着直接的联系，本文的工作主要是通过对叶片翼型的优化设计，从而提高其相应的气动力性能。本文的工作目的是利用应用广泛的matlab语言，基于目前各个领域内很流行的遗传优化算法理论思想，结合翼型形函数优化设计方法，建立基本优化模型，利用计算流体力学最基本的势流理论编写的fortran计算程序为优化目标的计算，基于母型设计出较为理想的叶片截面形状，以风力机叶轮轮机在工作速比范围内的平均加权能量利用率达到最大值为目标函数。并以粘性数值模拟的应用软件Fluent为计算平台，数值模拟优化翼型的气动力性能，与母型进行对比。这对

6、于竖轴风机气动力性能设计设计具有重要的理论和实用价值。本文研究方法同样也适用于竖轴潮流水轮机的翼型优化。1．2翼型优化研究综述要求构造一种翼剖面，使它满足或具有规定的流动特性，称为翼剖面设2哈尔滨下程大学硕十学位论文计问题，或叫反问题。翼剖面设计问题主要有单点设计法、多点设计法和优化设计法等多种提法啪儿”1。单点设计法是给出一个攻角下规定的翼剖面速度分布或压力分布，要求构造相应的翼剖面：多点设计法是为满足多于一种运行条件(工况)下叶片性能要求，对翼剖面分段给出不同攻角下的速度分布，以及规定其他重要的设计参数，如尾缘角，翼厚等，要求构造相应的翼剖面；优化设计法是对设计的翼剖面提出一个优化目

7、标，如使之阻力最小，升力最大，或无空泡攻角曲线槽宽最大等优化目标，用相应的设计方法构造翼剖面。针对翼剖面设计的上述三种提法，主要的设计方法“”有多种，如1945年提出的kighthill理论方法，这是一种翼剖面单点设计方法，首先考虑给出零升力线攻角无环量绕流时速度分布的翼剖面设计，再考虑来流有攻角时情况，由给出某一攻角下速度分布求出相应翼剖面上速度大小，然后按无环量时求解翼剖面坐标即为所求：用涡层密度分布代替翼剖面，根据给定的速度分