10-基于 Kriging 代理模型的串列雙翼型氣動降載優化.pdf

《10-基于 Kriging 代理模型的串列雙翼型氣動降載優化.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《10-基于 Kriging 代理模型的串列雙翼型氣動降載優化.pdf（23頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、基于基于 Kriging 代理模型的串列雙翼型代理模型的串列雙翼型氣動降載優化氣動降載優化龔玲瓏龔玲瓏，胡傳新，吳開明武漢科技大學城市建設學院武漢科技大學高性能鋼鐵材料及其應用省部共建協同創新中心33水平軸風力發電機（HAWT）垂直軸風力發電機（VAWT）風力發電機大型化趨勢海上浮式風力發電機（OFWT）現代社會對于能源的需求日益增加，全球范圍內一度出現了能源短缺危機能源短缺危機。海上風力發電產業在我國屬于清潔能源戰略新興產業和科技先導產業，己納入“十四五”可再生能源發展規劃與“十四五”海洋經濟發展規劃的相關任務之列，始終受到黨中央、國務院的高度重視，陸續出臺了一系列相關支持政策。隨著陸上風電

2、開發趨于飽和陸上風電開發趨于飽和，越來越多沿海國家安裝海上風機，海上風電成為風能開發的熱點海上風電成為風能開發的熱點。風力機發展及大型化趨勢風力機發展及大型化趨勢4超長葉片超長葉片 超長葉片發展超長葉片發展海上風力發電海上風力發電提高輸出功率（主流）生產運維風險生產運維風險經濟效益有限經濟效益有限GWH252-16 MW/123mV236-15.0 MW/115.5m東方風電/128mMySE 16.0-242/118m超長葉片超長葉片風機名稱風機名稱時間時間/年份年份葉片長度葉片長度/米米Suzlon S128201863.7Envision EN148-4.5201874Siemens G

3、amesa SG 6.6-155202177.5Siemens Gamesa SG 8.0-167 DD201881.4Vestas V164-9.5 MW201780Siemens Gamesa SG 11.0-200 DD2022100GE Haliade-X2019107MHI Vestas V236-15.0 MW2021115.5GWH252-16 MW2023123H256-16.7 MW2022126結構振動結構振動葉片變形葉片變形風沙冰雪陣風風-浪運行工況復雜柔性增大、剛度降低葉片變形與斷裂葉片變形與斷裂5雙轉子風力機雙轉子風力機新型漂浮式雙轉子海上風力機新型漂浮式雙轉子海上風

4、力機 雙轉子風力機發展雙轉子風力機發展風能利用系數高風能利用系數高單體容量大單體容量大雙轉子雙轉子風力發電機風力發電機（潛力）改進風機結構輸出功率提高輸出功率提高 雙轉子風力機對海上風力發電具有巨大潛力雙轉子風力機對海上風力發電具有巨大潛力海上風力發電海上風力發電利用掠過前輪葉片的尾流提高風能利用系數風能利用系數高風能利用系數高降低葉片長度降低葉片長度提高風能利用率提高風能利用率6 停機工況下風力機降載方法停機工況下風力機降載方法上游葉片槳距角下游葉片槳距角 停機工況下停機工況下，尋找串列雙翼型最優降載工況時設計降，尋找串列雙翼型最優降載工況時設計降載載工況數量龐大工況數量龐大，有必要改善優化

5、計算效率有必要改善優化計算效率葉片降載復雜二維翼型簡化變變槳與偏航槳與偏航槳距角偏航角 停機工況下簡單實用降載方法：停機工況下簡單實用降載方法：主動變主動變槳與主動偏航槳與主動偏航雙雙轉子風力機轉子風力機雙變槳雙偏航三維流場尾流影響雙雙翼型翼型計算成本低工況易設計計算時間短機理易分析優點優點調節參數調節參數7訓練構建均勻實驗樣本 技術路線技術路線數值計算Kriging數學代理模型網格及模型設置網格及模型設置無關性驗證無關性驗證升升/阻力系數統計阻力系數統計元模型目標參數上游翼型合力系數下游翼型合力系數更新模型收斂？末模型否是最優降載工況 優化對象：停機工況下串列雙翼型靜載優化對象：停機工況下串

6、列雙翼型靜載 目標參數：合力系數目標參數：合力系數C CF F表達式為：表達式為：上游翼型風攻角下游翼型風攻角機理分析流場特性8 數值模擬設置數值模擬設置 100100層邊界層，上游翼型尾緣與下游翼型前緣間距層邊界層，上游翼型尾緣與下游翼型前緣間距10c,10c,均為結構化網格均為結構化網格計算域及網格劃分網格無關性0.00000.00050.00100.00150.00200.0025-0.40.00.40.81.21.62.0三分力系數時間步長（s）cl cd cm510152025-0.40.00.40.81.21.62.0三分力系數網格數量（w）cl cd cm時間無關性NACA001

7、2翼型翼型雷諾數雷諾數600000邊界層第一層厚度邊界層第一層厚度3 10-5cSST K-湍流湍流模型模型網格網格總數：總數：13.4萬萬時間步長：時間步長：0.001s計算總時間：計算總時間：20s9 數值模擬設置數值模擬設置 四四種組合工況區內各計算種組合工況區內各計算2525個工況，共計個工況，共計100100個樣本點個樣本點 記上游翼型攻角為記上游翼型攻角為 u u,下游翼型攻角為下游翼型攻角為 d d;記記前緣（前緣（LeadingLeading）迎風工況為）迎風工況為L;L;尾緣（尾緣（TrailingTrailing）迎風工況為）迎風工況為T;T;來流來流L工況設計域：-15，

8、+15T工況設計域：165，195前緣迎風工況尾緣迎風工況整體工況設計域0來流來流+15-1519518016510 數值模擬設置數值模擬設置 采用均勻試驗采樣，四種組合工況區內各計算采用均勻試驗采樣，四種組合工況區內各計算2525個工況，共計個工況，共計100100個樣本點個樣本點11 Kriging元模型元模型合力系數（上游翼型）合力系數（下游翼型）以合力系數為目標參數，分別提取上游翼型和下游翼型樣本工況進行數值模擬；以合力系數為目標參數，分別提取上游翼型和下游翼型樣本工況進行數值模擬；三維圖及合力系數投影如上圖所示三維圖及合力系數投影如上圖所示12 Kriging模型驗證模型驗證L-TL

9、-T工況工況T-LT-L工況工況T-TT-T工況工況L-LL-L工況工況Kriging模型訓練及預測（預測均值EI）上游翼型上游翼型 上游翼型四上游翼型四種種工況設計區域下，合力系數預測值與樣本值誤差較小工況設計區域下，合力系數預測值與樣本值誤差較小 KrigingKriging代理模型的合力系數預測代理模型的合力系數預測值在四種工況設計域內分布均勻值在四種工況設計域內分布均勻13 Kriging模型驗證模型驗證下游翼型下游翼型Kriging模型訓練及預測（預測均值EI）L-TL-T工況工況T-LT-L工況工況T-TT-T工況工況L-LL-L工況工況 下下游翼型四游翼型四種種工況設計區域下，合

10、力系數預測值與樣本值誤差較小工況設計區域下，合力系數預測值與樣本值誤差較小 KrigingKriging代理模型的合力系數預測代理模型的合力系數預測值在四種工況設計域內分布均勻值在四種工況設計域內分布均勻14 Kriging模型驗證模型驗證上游翼型上游翼型 上游翼型在采樣點處均方誤差（上游翼型在采樣點處均方誤差（MSEMSE值）很小，但是設計域內值）很小，但是設計域內MSEMSE值波動較大值波動較大 上游翼型最大均方誤差不超過上游翼型最大均方誤差不超過0.0150.015，相鄰兩工況下對應，相鄰兩工況下對應MSEMSE值差別較大值差別較大 上游翼型上游翼型/下游翼型大攻角下下游翼型大攻角下MS

11、EMSE值較大，小攻角下值較大，小攻角下MSEMSE值較小值較小Kriging模型訓練及預測（均方誤差MSE）L-TL-T工況工況T-LT-L工況工況T-TT-T工況工況L-LL-L工況工況15 Kriging模型驗證模型驗證下下游游翼型翼型 下游翼型在采樣點處均方誤差（下游翼型在采樣點處均方誤差（MSEMSE值）很小，但是設計域內值）很小，但是設計域內MSEMSE值波動較大值波動較大 下游翼型前緣迎風工況下游翼型前緣迎風工況（L-L,T-LL-L,T-L）下下MSEMSE值波動不規則，尾緣迎風工況值波動不規則，尾緣迎風工況（L-T,T-TL-T,T-T）下下MSEMSE值波動穩定值波動穩定L

12、-TL-T工況工況T-LT-L工況工況T-TT-T工況工況L-LL-L工況工況Kriging模型訓練及預測（均方誤差MSE）16上游翼型 Kriging模型驗證模型驗證下游翼型 對工況設計域進行重新編號對工況設計域進行重新編號-15，+151，31165，19532，62 預測值與樣本值相對誤差較大預測值與樣本值相對誤差較大 除樣本值處均方誤差較小，大除樣本值處均方誤差較小，大部分區域均方誤差較大部分區域均方誤差較大模型更新的模型更新的必要性必要性整體設計域合力系數預測17 Kriging模型更新模型更新更新采樣點上游攻角/下游攻角/CFA上游/下游CFK上游/下游相對誤差/%101-12-1

13、21.22/1.120.75/0.7538.5/33.0102-9-90.96/0.890.92/0.884.2/1.1103-6-60.66/0.610.59/0.5510.6/9.8104-3-30.33/0.310.45/0.42-36.4/-35.5105000.01/0.010.01/0.010/0106330.33/0.310.63/0.57-36.4/-35.5107660.66/0.610.59/0.5510.6/9.8108990.96/0.890.92/0.874.2/1.210912121.22/1.120.75/0.8438.5/25合力合力系數系數樣本樣本值值：C C

14、F FA A合力系數預測值：合力系數預測值：C CF FK K更新更新末模型 以以L-LL-L工況為例，通過不斷更新，最終得到誤差收斂的末模型工況為例，通過不斷更新，最終得到誤差收斂的末模型“”更新樣本更新樣本18 最優降載工況搜索最優降載工況搜索末模型 串列雙翼型合力系數：串列雙翼型合力系數：KrigingKriging模型合力系數預測最小值：模型合力系數預測最小值：0.02290.0229，對應上游翼型攻角，對應上游翼型攻角0 0，下游翼型攻角，下游翼型攻角181181 CFtotal0.022919 降降載工況流場特征載工況流場特征尾流尾流。上游翼型表面均為附著流上游翼型表面均為附著流狀

15、態狀態下游下游翼型表面均為附著流狀態翼型表面均為附著流狀態，鈍體處存在鈍體處存在兩個小旋渦兩個小旋渦脫落脫落上游翼型對下游翼型無明顯影響上游翼型對下游翼型無明顯影響來流來流 最最優工況所處區：優工況所處區：L-TL-T工況區工況區10c尾流尾流。尾流尾流。上游翼型表面均為附著流狀態上游翼型表面均為附著流狀態，尾緣存在小尺度旋渦尾緣存在小尺度旋渦下游下游翼型翼型表面存在大尺度旋渦表面存在大尺度旋渦上游翼型上表面來流對下游翼型上游翼型上表面來流對下游翼型上下表面均存在影響上下表面均存在影響最不利工況最優降載工況20 Kriging模型在連續設計域中所得預測值與樣本實際值誤差在6%以內，數學代理模型

16、預測串列雙翼型靜氣動力系數可行性較高。以串列雙翼型合力系數值最小為降載最優，由Kriging數學代理模型預測得到的最優降載工況為上游翼型攻角0，下游翼型攻角181，最不利降載工況為上游翼型攻角+15，下游翼型攻角195。結合串列雙翼型樣本值、Kriging數學代理模型預測值和流場分析可知，上游翼型處于小攻角時對下游翼型無明顯影響，大攻角時下游翼型上下表面流場主要受上游翼型上表面流場干擾?；跀抵涤嬎愫蚄riging數學代理模型的串列雙翼型靜氣動力分析大大減少了計算工作量，能夠應用于串列雙翼型的最優降載工況搜索，對今后的葉片降載分析具有一定的借鑒意義。結論及展望結論及展望致謝：科技部國家重點研發計劃資助（項目編號：致謝：科技部國家重點研發計劃資助（項目編號：2022YFB4201501)致謝：科技部國家重點研發計劃資助（項目編號：致謝：科技部國家重點研發計劃資助（項目編號：2022YFB4201501)致謝：科技部國家重點研發計劃資助（項目編號：致謝：科技部國家重點研發計劃資助（項目編號：2022YFB4201501)