一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法技术

本发明专利技术公开了属于风力发电仿真实验技术领域的一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法。包括步骤1：构建海上风电机组平台运动模型；步骤2：对流体域划分多计算域非结构滑移网格，构建多自由度流体计算域；步骤3：在风轮旋转域设置动网格；步骤4：设置进出口边界条件，编写平台运动UDF，再设置风轮相对平台运动旋转和流体域耦合面；步骤5：进行叶片建模并对叶片进行有限元网格划分，置固体域耦合面；步骤6：进行双向耦合计算；步骤7：对平台运动的不同振幅、频率进行组合。本发明专利技术解决了叶片弹性形变过程中流场网格发生大变形导致计算发散的问题，对提高机组的设计水平和优化风电机组控制策略具有重要意义。风电机组控制策略具有重要意义。风电机组控制策略具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法


[0001]本专利技术涉及风力发电仿真实验
，尤其涉及一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法。

技术介绍

[0002]随着国家能源转型，风电作为清洁的可再生能源，具有大规模的开发潜力。其中海上风电相较于陆上风电，不受地形限制，并且拥有更丰富的风资源和稳定的风况。随着海上风电向深远海域的扩展，漂浮式基础以其成本优势成为海上风电机组的选择，并且单机发电量逐渐提高，风电机组向大型化发展，叶片长度不断增加。在叶片正常旋转时，受到来流风的作用，大型化叶片会发生弹性形变，对机组总体性能与工作寿命产生影响。海上漂浮式风电机组还存在六自由度的平台运动，叶片除了自身的旋转，还要与平台一起运动，使风轮平面与来流的相对速度以及截面翼型的攻角不断变化，导致风轮的气动、气弹特性变得更加复杂。
[0003]一般的基于叶素动量理论(BEM，Blade Element Method)、自由涡方法(FVM，Free VortexMethod)与几何精确梁耦合求解的方法无法获得风电机组复杂的三维流场细节，只对风电机组做计算流体力学(CFD，Computational Fluid Dynamics)研究，无法探究叶片气弹这一重要因素对流场和总体性能的影响。现有的气弹研究没有考虑平台运动，而且基本上都是基于动网格，存在平台运动时，网格变形大，容易发散。针对上述问题，需要一种基于多滑移网格与动网格考虑平台运动的海上风电机组叶片气弹计算方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提出一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0005]步骤1：构建海上风电机组平台运动模型，根据振幅和频率简化为周期性运动；
[0006]步骤2：对流体域划分多计算域非结构滑移网格，使用滑移网格连接构建多自由度流体计算域；
[0007]步骤3：在风轮旋转域设置动网格；
[0008]步骤4：整个计算域设置进出口边界条件，编写平台运动UDF，再设置风轮相对平台运动旋转和流体域耦合面，并选择湍流模型进行计算；
[0009]步骤5：使用铺层方法进行叶片建模并对叶片进行有限元网格划分，在轮毂处施加约束，设置固体域耦合面；
[0010]步骤6：调用结构求解器和流体求解器进行双向耦合计算；
[0011]步骤7：对平台运动的不同振幅、频率进行组合，得到在不同平台运动下的机组总体性能与叶片气弹特性。
[0012]所述步骤2中的多计算域非结构滑移网格包括：远场域、平台平动域、平台角运动域和风轮旋转域。
[0013]远场域、平台平动域和平台角运动域使用结构化网格或非结构化网格，风轮旋转域使用非结构化网格。
[0014]所述步骤3具体包括如下子步骤：
[0015]步骤31：在叶片形变时，使用扩散光顺方法保持叶片附近的网格质量，并且把网格变形扩散到远离叶片的区域；
[0016]步骤32：设定风轮旋转域内流体网格的扭曲率和最大与最小尺寸阈值，使用网格重构方法，标记扭曲率和最大与最小尺寸阈值之外的网格，并且重新划分成设定阈值以内的网格。
[0017]所述步骤4中的进出口边界条件包括额定风速进口条件和标准大气压出口条件。
[0018]所述步骤6具体包括如下子步骤：
[0019]步骤61：设置流体域与固体域耦合面的数据传递类型、数据传递松弛因子和收敛阈值，先进行流体计算，再进行固体计算；
[0020]步骤62：设置耦合迭代步数与计算步长，检测耦合面匹配度；
[0021]步骤63：在未施加平台运动的条件下进行双向耦合下的非定常初场计算，再进行带平台运动的双向耦合计算，得到收敛的结果。
[0022]所述计算步长为叶片旋转2
°
所用时间。
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024]1、本专利技术将流场划分多计算域并且使用高精度的非结构化网格，将网格变形限制在较小的计算域中，通过弹性网格与网格重构联合作用，解决了叶片弹性形变过程中流场网格发生大变形导致计算发散的问题；
[0025]2、通过改进单CFD计算方法，加入固体域，考虑叶片弹性形变与CFD计算的相互影响，得到了更准确的结果；
[0026]3、本专利技术方法为研究海上风电机组在复杂平台运动下的气弹特性、总体性能以及流场细节提供了新的技术指导，对提高机组的设计水平和优化风电机组控制策略具有重要意义。
附图说明
[0027]图1为本专利技术基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法的流程图；
[0028]图2(a)为某海上风电机组平台刚性运动示意图；
[0029]图2(b)为叶片柔性运动的示意图；
[0030]图3为多滑移流体计算域示意图；
[0031]图4为滑移网格与动网格示意图；
[0032]图5(a)、(b)为某海上风电机组气动性能示意图；
[0033]图6为叶片挥舞形变结果的示意图。
具体实施方式
[0034]本专利技术提出一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法，下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。
[0035]图1为本专利技术基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法的流程图，具
体实施方式如下：
[0036]第一步，构建海上风电机组平台运动模型，根据振幅和频率简化为周期性运动。
[0037]海上风电机组平台受到海上风浪流的共同作用具有三个平动方向，三个转动方向共六自由度，因此平台运动类型有六种，如图2(a)所示。图2(b)为叶片柔性运动的示意图，在实际过程中，海上风浪流造成的平台运动会不断衰减直至稳定状态，符合实际情况的运动模型建立比较复杂，忽略其衰减特性，将单个平台按照振幅和运动频率简化为周期性运动。因其平台运动种类多，且幅值频率不同，因此以其中一个平台运动为例，Surge运动的幅值2m，频率0.2Hz，从t0＝148.760331s开始运动，其运动模型为：
[0038]Y＝2
×
sin[2π
×
0.2
×
(t
‑
148.760331)][0039]第二步，对流体域划分多计算域非结构网格，滑移网格连接构建多自由度流体计算域。
[0040]建模多滑移流体计算域，包括远场域、平台平动域，平台角运动域、风轮旋转域，如图3 所示。对各个计算域进行空间离散，划分各个计算域流体网格。在区域与区域之间设置交界面，保证数据传递。
[0041]其中远场域、平台平动域、平台角运动域对网格具有普遍适用性，可以使用结构化网格或非结构化网格离散。风轮旋转域需要处理叶片气弹造成的网格形变，适用非结构化网格离散计算域。
[0042]第三步，在风轮旋转域设置动网格，解决计算域网格形变。
[0043]风轮旋转域选择扩散光顺方法与网格重构方法，使用扩散光顺方法在叶片形变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建海上风电机组平台运动模型，根据振幅和频率简化为周期性运动；步骤2：对流体域划分多计算域非结构滑移网格，使用滑移网格连接构建多自由度流体计算域；步骤3：在风轮旋转域设置动网格；步骤4：整个计算域设置进出口边界条件，编写平台运动UDF，再设置风轮相对平台运动旋转和流体域耦合面，并选择湍流模型进行计算；步骤5：使用铺层方法进行叶片建模并对叶片进行有限元网格划分，在轮毂处施加约束，设置固体域耦合面；步骤6：调用结构求解器和流体求解器进行双向耦合计算；步骤7：对平台运动的不同振幅、频率进行组合，得到在不同平台运动下的机组总体性能与叶片气弹特性。2.根据权利要求1所述基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法，其特征在于，所述步骤2中的多计算域非结构滑移网格包括：远场域、平台平动域、平台角运动域和风轮旋转域。3.根据权利要求2所述基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法，其特征在于，远场域、平台平动域和平台角运动域使用结构化网格或非结构化网格，风轮旋转域使用非结构化网格。4.根据权利要求1所述基于多滑移与动网格的漂浮式...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓东，郭翼泽，娄刻强，刘永前，叶昭良，郭小江，周昳鸣，
申请(专利权)人：华能集团技术创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：