基于计算流体力学的单转子与多转子水平轴风力机叶片反设计

本文提出一种水平轴风力机（HAWTs）的反设计方法。用于气动分析的直接求解器求解雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，其中涡轮转子的效应通过致动盘模型（ADM）以动量源项建模；该方法称为 RANS/ADM。反问题表述如下：对于给定的翼型选择，目标是找到实现设计点处期望涡轮气动性能的叶片几何形状（描述为叶片扭转角和弦长分布）；期望性能以沿叶片的攻角（$\alpha$）和轴向诱导因子（$a$）分布给定。采用迭代方法求解。使用初始估计的叶片几何形状，通过直接求解器（RANS/ADM）获得 $\alpha$ 和 $a$。计算所得值与期望值之间的差异，并通过使用信赖域反射（TRF）方法的非线性最小二乘回归获得新的叶片几何形状（弦长和扭转角）估计。重复此过程，直至计算值与期望值之差在可接受容差范围内。该方法首先在常规单转子 HAWT 上演示，然后扩展到多转子，特别是双转子风力机。还将 TRF 方法与多维牛顿迭代法进行了比较，发现在叶片设计施加约束时，TRF 方法提供更好的收敛性，尽管在无约束优化中牛顿法收敛更快。