基于自由涡尾迹和遗传算法的叶尖小翼气动优化设计

许波峰，王同光，张震宇，王 珑

（南京航空航天大学 江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，江苏 南京 210016）

0 引 言

风力机叶尖小翼能够提高风力机的输出功率，改变风轮的流场特性。风力机叶片旋转时，由于叶尖压力面和吸力面的压力差，气流会由压力面绕过尖部端面流入吸力面，形成复杂的三维流动，同时还会产生高强度的叶尖涡。叶尖涡使得叶片效率降低、疲劳载荷增加和叶尖噪声增大。这种现象在风力机叶片及飞机机翼上普遍存在。早在19世纪末就提出翼尖安装垂直板可以明显减轻三维效应从而减小诱导阻力［1］。风力机叶尖加小翼的想法最早由Van Holten（1976）［2］提出。Shimizu Y 等人［3］开发出一种 Mie型叶尖小翼，成功应用在小型风力机发电机上，动力输出增加10%－20%。Johansen J等人［4］研究了分别利用扭转和后掠的叶尖小翼提高风力机叶片效率的方法。国内内蒙古工业大学在Mie型小翼的基础上进行了叶尖小翼的实验研究［5］和数值模拟研究［6］。

本文优化设计的叶尖小翼为分裂式，以NREL PhaseⅥ叶片为设计对象。考虑到CFD方法的计算量大而遗传算法又是要以大量个体计算为基础，本文采用自由涡尾迹（FVW）方法［7－8］对小翼叶片建模，计算叶片的气动性能。以风能利用系数最大和风轮推力系数最小为目标，采用快速非支配排序遗传算法［9］（NSGA－Ⅱ），通过不断遗传叶尖小翼的形状参数，搜索满足多目标优化的Pareto最优解集。

1 数学模型

1．1 设计变量

分裂小翼的俯视图和左视图如图1所示，从前缘至后缘三个小翼顺联排布，小翼根稍比均为0．75，有相同的后掠角χ，由前往后小翼上反角分别为Ψ1、Ψ2、Ψ3，每个小翼都具有不同的扭角分布。……