A modeling method of wind turbine aerodynamic calculation model based on CFD technology is characterized in that the whole modeling process is divided into three stages in sequence: the first stage, the wind turbine is simplified as a calculation disk by using the modeling method based on BEM aerodynamic theory, and the basic physical information of the wind turbine is retained; the second stage, the wind turbine is modeled as a calculation disk. The CFD technology based on DNS method is used to transform the first stage aerodynamic model into a volume force source term and add a pre-set control equation. In the third stage, the boundary conditions of the wind turbine model are added to effectively design the grid part, solve the control equation, converge with the actual data, adjust the relevant parameters and correct it. Model accuracy. Through this model, the wind farm flow field can be analyzed effectively, the performance index data of wind turbine and the flow field characteristics of wind farm can be obtained, which provides an effective basic theory for power prediction, fan performance analysis, fan micro-location and other aspects of wind farm optimization operation.
【技术实现步骤摘要】
基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法
本专利技术涉及一种基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法,属于风力发电机空气动力分析
技术介绍
目前中国风能迅速发展,但同时弃风限电现象时有发生。进一步降低风力发电成本势在必行,其关键在于对风电场的流场分析,图1是风力机流场示意图。通过风电场流场分析,可以得到风力机的性能指标数据和风电场的流场特性,为功率预测、风机性能分析、风机微观选址等多方面风场优化运行提供有效基础理论。因此建立一种有效的风力机气动模型成为风电场流场分析的重要部分。流场分析始终离不开风力机本身的建模工作,目前使用风力机真实模型所造成的计算量不可能在现有计算机上完成,而多种高精度模拟手段并不能满足工程所需的时间要求。而上世纪70年代丹麦等风电强国的风机模型主要依靠工程经验所设计,已不能满足目前风电行业所需的分析要求。风机建模工作,从维度上可分为二维、三维建模,从气动理论上可分为经验推理、涡方法、叶素动量方法等。总的来说,目前流场分析所需的计算模型在精度上能够提供理想量的有效数据,同时能够满足工程可接受的计算速度。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的在于克服现有工程风机模型精度上的不足,提供一种工程可接受速度并能够提供详细有效数据的风机气动计算模型。本模型建立方法立足于:依靠传统气动理论,并提出多种修正,得出适用于雷诺平均方法的计算模型,并在实际风场数据得到有效验证。技术方案一种基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法,其特征在于:所述模型将整个建模过程分为三个阶段依次进行:第一阶段,采用基于BEM气动理论的建模方式将风力机简化 ...
【技术保护点】
1.一种基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法,其特征在于:所述模型总体使用BEM即叶素动量气动理论和RANS即雷诺平均方法相结合的一种方法;所述模型将整个建模过程分为三个阶段依次进行:该方法过程分为三个阶段依次进行:第一阶段,采用基于BEM气动理论的建模方式将风力机简化为计算盘体,保留风力机基本的物理信息;第二阶段,采用基于RANS方法的CFD技术将第一阶段的气动模型转化为体积力源项,加入预先设定好的控制方程;第三阶段,加入风力机模型的边界条件,针对网格部分进行有效设计,求解控制方程,并与实际数据收敛,调整相关参数,校正模型准确性。
【技术特征摘要】
1.一种基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法,其特征在于:所述模型总体使用BEM即叶素动量气动理论和RANS即雷诺平均方法相结合的一种方法;所述模型将整个建模过程分为三个阶段依次进行:该方法过程分为三个阶段依次进行:第一阶段,采用基于BEM气动理论的建模方式将风力机简化为计算盘体,保留风力机基本的物理信息;第二阶段,采用基于RANS方法的CFD技术将第一阶段的气动模型转化为体积力源项,加入预先设定好的控制方程;第三阶段,加入风力机模型的边界条件,针对网格部分进行有效设计,求解控制方程,并与实际数据收敛,调整相关参数,校正模型准确性。2.根据权利要求1所述的基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法,其特征在于:整体为三维建模,其中扇面采用所基于BEM气动理的二维物理建模,轴向采用基于高斯分布的一维数学建模,考虑了叶尖损失效应并做了优化处理;所使用的CFD技术为雷诺平均方法,建立应用于不可压缩湍流问题的三维纳维斯托克斯方程,其中动量方程使用雷诺平均方程,利用一阶段计算所得的体力源项,湍流模型使用SSTk-ω模型;求解采用基于SIMPLE算法的一种解法,在空间上采用有限体积法进行离散,时间离散采用隐式时间积分方法,采用格心格式储存数据,封闭的控制方程进行求解,并与实体数据对比验证模型准确性。3.根据权利要求1所述的基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法,其特征在于:本计算模型基于BEM与RANS的混合方法,关键在于气动力的准确计算以及合理分布的体积力动量源项加载到计算流场中,整个流程分为两大模块:在第一模块中,对风力机整体进行数据计算:第一步,获得风轮各截面的当地攻角;本文采用有限体积法在空问上对控制方程进行空问离散,控制体定义以及流场参数存储使用格心格式,因此将网格单元的中心点坐标作为网格的坐标;通过判断网格单元的坐标可以确定风轮所在的网格单元编号,以及这些网格单元对应的风轮不同的截面;读取这些网格单元的速度信息,并且考虑风轮的旋转速度,获得风轮各截面的当地速度和入流角,当地入流角再减去当地桨距角,即是当地攻角;第二步,计算风轮各截面的气动力;通过风轮各截面的展向位置,插值得出各白的弦长,根据当地攻角获得相应的升、阻力系数,再加上当地速度以及叶尖修正因了,即可获得当地的升力与阻力;通过坐标转换就可以得到笛卡尔坐标系下风轮各截面的气动力;第三步,将风轮各截面的气动力通过一维高斯分布合理加载到计算流场中;根据网格单元的坐标,确定气动力的分布位置,由一维高斯分布计算出相应网格单元的气动力,即作为体积力动量源项加载到控制方程中;通过第一个模块获得加载到控制方程中的体积力动量源项后,进入第二模块;第二模块:整体过程基于SIMPLE算法,主要划分为四个步骤:第一步,初始化流场;按照给定的边界条件,对计算域内的单元赋初值;第二步,计算体积力动量源项;读取流场中的相关信息,以及给定的叶片儿何外形信息、翼型性能数据,按照流程的计算流程获得加载到控制方程中的体积力动量源项;第三步,求解控制方程和湍流模型方程;在空问上采用有限体积法进行离散,时问离散采用隐式时问积分方法,采用格心格式储存数据,对附带体积力动量源项的控制方程和湍流模型方程进行求解;第四步,判断收敛性;根据残差来判断计算是否收敛,如果未收敛,则返回第二步重新计算体积力动量源项,再求解控制方程,直至收敛;计算收敛后输出相关结果。4.根据权利要求1所述的基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法,其特征在于:该方法详细步骤如下:第一阶段:叶片气动模型(1)代表风力机叶片作用的体积力基于叶素假设,将叶片的微元段,即叶素看成二维翼型截面,根据当地的流场信息与已知的翼型性能数据、叶片几...
【专利技术属性】
技术研发人员:李媛,柳博文,郑伟,陈雷,邢作霞,
申请(专利权)人:沈阳工业大学,
类型:发明
国别省市:辽宁,21
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