0 引言
1 方法论
1.1 CFD数值计算方法
Table 1 Structural parameters of the wind turbine表1 风力机结构参数 |
参数 | 数值 |
---|---|
叶轮直径D/mm | 800 |
叶片高度H/mm | 800 |
叶片弦长c/mm | 200 |
叶片数量n | 3 |
叶轮实度σ | 0.75 |
叶片翼型 | NACA 0018 |
Fig. 1 Schematic diagram of the wind turbine model图1 风力机模型示意图 |
Fig. 2 Schematic diagram of calculation domain图2 计算域示意图 |
Fig. 3 Grid division diagram of calculation domain图3 计算域网格划分图 |
Table 2 Mesh number, Cp value and relative error under different mesh precision表2 不同网格精度下的网格数量、Cp值及相对误差 |
网格精度 | 网格数量 | 计算Cp | ε/% |
---|---|---|---|
粗糙 | 1 136 298 | 0.141 6 | -18.0 |
中等 | 2 104 725 | 0.172 7 | -0.4 |
精细 | 3 211 559 | 0.173 4 | — |
Fig. 4 Comparison between CFD simulation result and test result图4 CFD仿真结果与文献[10]试验结果对比 |
1.2 田口法优化流程

Table 3 Parameters selection and level setting表3 参数选择及水平设置 |
因素 | 参数 | 符号 | 水平 | |||
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | |||
A | 叶片数量 | n | 2 | 3 | 4 | 5 |
B | 叶轮半径 | R | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 |
C | 叶片展弦比 | μ | 5 | 6 | 8 | 10 |
D | 叶片安装角 | β | 0 | 3 | 6 | 9 |
Table 4 Orthogonal condition design表4 正交工况设计 |
工况 | 因素 | |||
---|---|---|---|---|
A | B | C | D | |
EC 1 | 2 | 1.0 | 5 | 0 |
EC 2 | 2 | 1.5 | 6 | 3 |
EC 3 | 2 | 2.0 | 8 | 6 |
EC 4 | 2 | 2.5 | 10 | 9 |
EC 5 | 3 | 1.0 | 6 | 6 |
EC 6 | 3 | 1.5 | 5 | 9 |
EC 7 | 3 | 2.0 | 10 | 0 |
EC 8 | 3 | 2.5 | 8 | 3 |
EC 9 | 4 | 1.0 | 8 | 9 |
EC 10 | 4 | 1.5 | 10 | 6 |
EC 11 | 4 | 2.0 | 5 | 3 |
EC 12 | 4 | 2.5 | 6 | 0 |
EC 13 | 5 | 1.0 | 10 | 3 |
EC 14 | 5 | 1.5 | 8 | 0 |
EC 15 | 5 | 2.0 | 6 | 9 |
EC 16 | 5 | 2.5 | 5 | 6 |



2 结果与讨论
2.1 正交工况结果
Table 5 Calculation results in orthogonal test conditions表5 正交试验工况中的计算结果 |
工况 | λrated | Cp | S/N |
---|---|---|---|
EC 1 | 1.1 | 0.187 8 | -14.527 4 |
EC 2 | 2.1 | 0.298 9 | -10.488 8 |
EC 3 | 2.7 | 0.335 5 | -9.486 0 |
EC 4 | 3.1 | 0.323 2 | -9.810 5 |
EC 5 | 1.3 | 0.251 2 | -11.999 9 |
EC 6 | 1.5 | 0.308 6 | -10.212 1 |
EC 7 | 2.3 | 0.322 0 | -9.842 0 |
EC 8 | 2.4 | 0.374 6 | -8.528 3 |
EC 9 | 1.1 | 0.228 7 | -12.813 9 |
EC 10 | 1.7 | 0.290 3 | -10.742 4 |
EC 11 | 1.8 | 0.251 3 | -11.997 0 |
EC 12 | 2.3 | 0.274 5 | -11.228 4 |
EC 13 | 1.0 | 0.184 4 | -14.684 2 |
EC 14 | 1.6 | 0.185 8 | -14.619 9 |
EC 15 | 1.7 | 0.281 3 | -11.016 9 |
EC 16 | 1.7 | 0.316 0 | -10.005 7 |
Fig. 5 Average signal-to-noise ratio of the four factors at different levels图5 四因素在不同水平上的平均信噪比值 |
2.2 加性模型结果
Table 6 Analysis results of modified additive model表6 改进的加性模型分析结果 |
工况 | A | B | C | D |
---|---|---|---|---|
最优 | 3 | 2.5 | 8 | 3 |
最差 | 5 | 1.0 | 5 | 0 |
Fig. 6 Power coefficients of optimal and worst wind turbines under different tip speed ratios图6 最优及最差构型风力机在不同叶尖速比下的功率系数 |
2.3 MAM模型下最优及最差气动性能分析
Fig. 7 Three-dimensional vorticity diagram under MAM optimal configuration λ = 2.4 (a) and MAM worst configuration λ = 0.8 (b)图7 MAM最优构型λ = 2.4(a)和MAM最差构型λ = 0.8(b)的三维涡量图 |
Fig. 8 Wake velocity cloud images of the MAM optimal configuration (a) and MAM worst configuration (b) at different distances in the Y-Z plane图8 MAM最优构型(a)和MAM最差构型(b)在Y-Z平面内不同距离处的尾流速度云图 |
Fig. 9 Wake velocity cloud images of the MAM optimal configuration and MAM worst configuration in the X-Z plane图9 MAM最优构型及MAM最差构型在X-Z平面内尾流速度云图 |
Fig. 10 Normalized average wake velocity at different distances in the optimal configuration: (a) X-Y profile; (b) X-Z profile图10 最优构型不同距离下归一化平均尾流速度:(a)X-Y剖面;(b)X-Z剖面 |
Fig. 11 Normalized mean wake velocity at different distances in the worst configuration: (a) X-Y profile; (b) X-Z profile图11 最差构型不同距离下归一化平均尾流速度:(a)X-Y剖面;(b)X-Z剖面 |