浮式风机气动性能逆向设计——用于浮体设计与分析
浮式风机气动性能逆向设计——用于浮体设计与分析
在浮式风机项目中，如何在缺乏风机详细参数的情况下完成浮式基础的设计？本文将介绍一种基于逆向设计的解决方案，通过多目标优化方法，利用风机提供的基础信息，实现浮式系统的性能计算和设计。
浮式风机气动性能逆向设计
背景
在实际浮式风机项目中的Pre-FEED或者FEED阶段，总体设计部门需要初步完成浮式基础主尺度、结构、系泊系统等性能的设计。在设计过程中，需要将风机气动力和惯性力作为参数输入，来计算浮式系统的总体性能。然而，风机厂家出于商业保密，通常不会提供风力机的详细参数，只会提供一些基础信息，如叶片、RNA质量惯量、切入/额定/切出风速、切入/额定/切出转速等，以及功率曲线、推力曲线、塔架信息等概要信息。
总体设计部门需要基于这些概要信息，逆向设计出输入参数，进而进行分析、计算和设计。本质上，这是一个多目标优化问题，即在不同风速下V1、V2…Vn，计算基准风力机的气动推力T1c、T2c…Tnc和功率P1c、P2c…Pnc，使得气动推力Tc与功率Pc的计算值与目标推力Tt和目标功率Pt的差值最小，最好差值是0。
即求以下最值：
minimum ∑i=1n(Tic−Tit)2+(Pic−Pit)2
在实际情况中，当推力吻合时，功率一般都是吻合的，因为这可以通过调整控制器实现，于是只需要求该最值：
minimum ∑i=1n(Tic−Tit)2
在优化过程中，如果以上述函数作为优化目标，即不容易收敛，又会导致计算量过大。一个建议的方法是，把上述方程作为约束，而把maxAEP作为优化目标，设计变量是叶片不同截面处的弦长c和扭角t，即写成如下形式：
Design variables: cj,tj
Maxmize AEP
subject to ∑i=1n(Tic−Tit)2=0
需要使用的工具
- 多目标优化软件。
- 气动性能计算软件。
基于前述可以发现，该问题本质上是一个多目标优化问题，只要有优化求解模块、气动求解模块，就可以完成该设计。然而，在实际过程中，搭建框架、抽象问题，都是需要复杂的工作。比如，叶片的弦长是一条连续曲线，需要将其拟合出来，并通过调整曲线控制点来改变弦长，但是轮毂部分的弦长往往是不能更改的。为了解决这个问题，建议使用WISDEM，其是一个集成的评估工具，可以评估并优化多种参数。详细的使用方法可以参考Issues587。