题目：风力机风轮三维气动数值计算与优化方法研究

能源危机和环境恶化是人类正面临的两大难题，积极开发可再生能源是纾解问题的重要途径。风能作为发展最快、最具有大规模开发前景的可再生清洁能源，在倍受重视的同时，已成为研发热点。风能研发最核心问题是风轮的空气动力学问题。为了提高风能利用效率和满足机组大型化需求，需要发展更加完善的风力机风轮气动设计计算与优化方法。论文基于拉格朗日型涡方法，以研究快速准确的风力机风轮气动性能数值计算与优化方法为中心，开展以下工作：

一、针对已有三维势流自由尾迹涡方法进行改进，研究实现基于全自由尾涡模型的快速风轮气动性能计算方法（FFVM），自主开发了计算程序。为准确计入尾迹对风轮气动性能影响，风轮后尾迹不作过多简化，充分模拟风轮下游足够长度的自由尾涡；借助快速多极子方法（FMM）结合并行计算处理技术加速诱导速度计算；以预估-校正时间后退两步中心差分格式（PC2B）保证涡丝时间推进的精度和稳定性；耦合了叶片动态失速和三维失速延迟修正模型，进一步提高气动性能计算的精度。最后分别以荷兰TUDelft模型实验风轮和美国可再生能源实验室的Phase VI风轮为研究对象，分别计算了轴流和偏航工况下风轮气动性能，将结果与风洞实验值及其它计算方法的结果进行比较，验证了方法的有效性和计算的准确性。并利用数值计算结果分析了风轮流场特点，为后续研究提供数据支持。

二、针对广泛应用的变速变桨风轮的特点，进一步研究更为完善的涡方法，实现风轮气动性能计算的面元/粘性涡粒子混合方法（HPVP），自主开发完成相应计算程序。以三维速度势面元法求解叶片表面速度势，并引入叶片表面摩擦阻力公式计算风轮与空气之间的粘性摩擦，提高了计算准确度；以粘性涡粒子法模拟尾涡，以更准确计算尾迹涡量场及其对叶片气动性能的影响；叶片涡到尾迹涡采用等效原则传递耦合，保证了涡量守恒。分别以PHASE VI风轮和MEXICO实验风轮为研究对象，将计算结果与实验数据对比，当叶片主要出力区为贴体流动时，本方法可准确计算叶片气动性能和表面的压力分布，证实了方法的有效性。

三、探索应用面元/粘性涡粒子混合方法进行风轮复杂三维非定常气动性能计算，将开发程序扩展为可进行多体干扰流动模拟的代码。针对风轮在风场环境下承受风切变与塔影综合干扰的复杂非定常流动，以NREL Phase VI风轮为算例，实现了快速的风轮流场模拟和气动计算，通过与原始实验风轮数据对比分析，验证了方法的非定常流动模拟的适用性。

四、在涡方法基础上开展风轮气动优化方法研究，实现最优环量分布风轮气动设计方法，自主开发相应优化程序。充分利用涡方法快速准确的优势，并针对其特点直接以叶片附着涡环量分布为优化变量，并将其参数化表达，大幅降低优化变量数目，实现了风轮气动外形的快速优化。该方法避免了采用大量几何优化变量的繁复且可控性不足的问题，且有利于气动力约束条件的实施。通过优化PHASE VI风轮并与其原始实验数据对比分析表明，该优化方法可以快速得到高性能叶片外形。