一种旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法技术

本发明专利技术涉及风机雷电接闪防护技术，具体涉及一种旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法，采用COMSOL Multiphysics仿真软件中的静电模块和稀物质传递模块来建立雷云背景下风机叶尖电晕放电空间电荷迁移模型，仿真模型包括空间正离子、气溶胶离子和中性粒子在空间中的迁移扩散；基于麦克斯韦方程、泊松方程以及多组分粒子输送方程设置仿真模型的各个参数，采用适应性网格剖分，建立雷电背景电场下风机叶尖接闪器正极性电晕放电空间电荷迁移模型；采用基于Kaptzov假设的有限元法，利用MATLAB的COMSOL Multiphysics接口对仿真模型进行迭代求解。该方法对风机系统接闪机理和雷电防护有重要意义。重要意义。重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法


[0001]本专利技术属于风机雷电接闪防护
，特别涉及一种旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法。

技术介绍

[0002]新能源替代化石能源对于能源系统转型有着举足轻重的作用，风能作为一种资源丰富性、可再生性以及环境友好型能源，近年来一直得到大力发展。
[0003]为了提高风能利用效率，风机单机容量增大，其高度不断增加(兆瓦级风机叶尖最大离地高度已超过了200m)，叶片遭受雷击的概率和损坏风险也大幅增加，现代大容量风机叶片雷击损坏率较二十年前的小容量风机增加了5倍以上。风机工作时其叶片往往处于高速旋转状态，兆瓦级风机工作状态时其叶尖线速度可达到100m/s以上，雷击持续的几十至数百毫秒时间内，叶片旋转将产生不可忽略的位移，这势必会导致风机与静止目标物的雷击接闪特性存在差异。目前，风机自然雷击观测发现，叶片旋转可能使风机引雷能力增强，更易遭受雷击。
[0004]目前分析认为，造成旋转风机引雷能力增加的原因可能是叶尖电晕放电产生的空间电荷对叶尖电位的畸变。但是当下风机雷击接闪过程的仿真计算多采用电气几何模型和先导发展模型等方法，模型中并未考虑风机叶片旋转引发的电晕放电空间电荷迁移及其对上行先导起始和发展影响的物理过程，导致目前依据传统计算方法无法解释接闪现象，所设计的接闪器系统对雷电防护的效果不佳，叶片雷击损坏事故仍频频发生。而且就目前研究来看，初始电晕放电空间电荷对旋转风机防雷性能影响的机理暂不清晰，在模拟计算时往往忽略电晕放电空间电荷对后续放电过程的影响，导致针对旋转风机雷电屏蔽性能评估模型存在不足。
[0005]因此，为了揭示旋转风机叶尖电晕放电空间电荷分布特性，需要针对旋转风机叶尖电晕放电开展仿真研究，对旋转风机叶尖电晕放电空间电荷动态分布特性进行仿真模拟，提出一种模拟旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法。

技术实现思路

[0006]针对
技术介绍
存在的问题，本专利技术提供一种旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法，采用COMSOL Multiphysics仿真软件中的静电模块和稀物质传递模块来建立雷云背景下风机叶尖电晕放电空间电荷迁移模型，仿真模型包括空间正离子、气溶胶离子和中性粒子在空间中的迁移扩散；基于麦克斯韦方程、泊松方程以及多组分粒子输送方程设置仿真模型的各个参数，采用适应性网格剖分，建立雷电背景电场下风机叶尖接闪器正极性电晕放电空间电荷迁移模型；采用基于Kaptzov假设的有限元法，利用MATLAB的COMSOL Multiphysics接口对仿真模型进行迭代求解。
[0008]在上述旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法中，建立仿真模型包括以下步骤：
[0009]步骤1、利用COSMOL Multiphysics搭建风机叶尖的二维几何模型；
[0010]步骤2、对二维几何模型进行网格剖分，在叶尖接闪器附近对网格进行加密处理；
[0011]步骤3、采用Peek公式计算风机叶尖接闪器表面起晕场强：
[0012][0013]式中，m为导体的表面粗糙系数；δ为空气的相对密度，常温常压下取值为1；r为等效半径，单位cm；
[0014]步骤4、计算叶尖接闪器表面电荷密度初值：
[0015][0016]式中，ε0为真空介电常数，值为8.85
×
10
‑
12
F/m；U0是接闪器的起晕电压，单位V；E
g
为最大地面标称场强，单位V/m；U为雷云背景下接闪器的电压，单位V；r
eq
为接闪器等效半径，单位m；h为接闪器对地高度，单位m；E0为接闪器的起晕场强，单位V/m；
[0017]步骤5、设置电场边界条件；在接闪器的上边界施加一个雷云背景电势V＝
‑
E0H，其中H为求解域上边界距离地面高度；雷云背景电场E0计算方式如下：
[0018][0019]式中，E
0max
为雷云背景电场最大值，τ为背景电场上升时间，t为总体雷云持续时间；
[0020]求解域左右边界设置为零电荷，下边界设置为接地，电离区内的电场分布用电场泊松方程来表述：
[0021][0022]其中ε0为真空介电常数，8.85
×
10
‑
12
F/m；
[0023]步骤6、设置电晕放电空间电荷的控制方程；
[0024]空间中正离子n
+
、气溶胶离子N
+
和中性粒子N
a
的迁移扩散，采用多组分粒子输运方程描述：
[0025][0026][0027][0028]其中，μ
n+
为正离子电场迁移速率，取值1.5
×
10
‑4m2/(V
·
s)；μ
N+
为气溶胶离子的电场迁移速率，取值1.5
×
10
‑4m2/V
·
s；W为气流速度，模块中设定任意方向的高速气流激励，用于模拟叶片不同角度转动时，叶尖切线方向空间气流的流动；k
nN
为附着系数，取2.9
×
10
‑
12
m3/s；D是扩散系数，取1m2/s；e和ε0分别为元电荷和真空介电常数；
[0029]由多组分粒子输运方程，得到粒子的速度场u为：
[0030][0031][0032][0033]将矢量u分解为x、y两个方向上的标量u
x
和u
y
：
[0034][0035]通过修改x和y方向的速度分量来设定不同方向的气流激励，用于模拟风力发电机叶片旋转过程中叶尖切线方向空间气流的流动；
[0036]步骤7、根据正离子起晕以及后续反应产生的空间电荷，设置背景空间中的空间电荷密度ρ
v
：
[0037]ρ
v
＝e(n
+
+N
+
)
[0038]其中n
+
为正离子密度，mol/m3，N
+
为气溶胶离子密度，mol/m3，e为单位电子电荷量，取值1.6
×
10
‑
19
C；
[0039]在接闪器表面设置为正离子n+的浓度边界，用正离子的浓度乘以带电量得到接闪器表面的电荷密度，其表达式为：
[0040]c
0n+
＝ρ0/qe
·
1[mol][0041]式中，ρ0为风机叶尖接闪器表面电荷密度，单位为C/m3；
[0042]步骤8、在MATLAB编制程序为仿真模型赋予初始值，判断仿真模型在每次运行之后是否达到稳态、是否满足收敛条件，并在仿真模型不收敛的情况下根据风机叶尖接闪器表面电荷密度更新方程对电荷密度值进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法，其特征在于，采用COMSOL Multiphysics仿真软件中的静电模块和稀物质传递模块来建立雷云背景下风机叶尖电晕放电空间电荷迁移模型，仿真模型包括空间正离子、气溶胶离子和中性粒子在空间中的迁移扩散；基于麦克斯韦方程、泊松方程以及多组分粒子输送方程设置仿真模型的各个参数，采用适应性网格剖分，建立雷电背景电场下风机叶尖接闪器正极性电晕放电空间电荷迁移模型；采用基于Kaptzov假设的有限元法，利用MATLAB的COMSOL Multiphysics接口对仿真模型进行迭代求解。2.根据权利要求1所述旋转风机叶尖电晕放电的仿真计算方法，其特征在于，建立仿真模型包括以下步骤：步骤1、利用COSMOL Multiphysics搭建风机叶尖的二维几何模型；步骤2、对二维几何模型进行网格剖分，在叶尖接闪器附近对网格进行加密处理；步骤3、采用Peek公式计算风机叶尖接闪器表面起晕场强：式中，m为导体的表面粗糙系数；δ为空气的相对密度，常温常压下取值为1；r为等效半径，单位cm；步骤4、计算叶尖接闪器表面电荷密度初值：式中，ε0为真空介电常数，值为8.85
×
10
‑
12
F/m；U0是接闪器的起晕电压，单位V；E
g
为最大地面标称场强，单位V/m；U为雷云背景下接闪器的电压，单位V；r
eq
为接闪器等效半径，单位m；h为接闪器对地高度，单位m；E0为接闪器的起晕场强，单位V/m；步骤5、设置电场边界条件；在接闪器的上边界施加一个雷云背景电势V＝
‑
E0H，其中H为求解域上边界距离地面高度；雷云背景电场E0计算方式如下：式中，E
0max
为雷云背景电场最大值，τ为背景电场上升时间，t为总体雷云持续时间；求解域左右边界设置为零电荷，下边界设置为接地，电离区内的电场分布用电场泊松方程来表述：其中ε0为真空介电常数，8.85
×
10
‑
12
F/m；步骤6、设置电晕放电空间电荷的控制方程；空间中正离子n
+
、气溶胶离子N
+
和中性粒子N
a
的迁移扩散，采用多组分粒子输运方程描述：
其中，μ
n+
为正离子电场迁移速率，取值1.5
×
10
‑4m2/(V
·
s)；μ
N+
为气溶胶离子的电场迁移速率，取值1.5
×
10
‑4m2/V
·
s；W为气流速度，模块中设定任意方向的高速气流激励，用于模拟叶片不同角度转动时，叶尖切线方向空间气流的流动；k
nN
为附着系数，取2.9
×
10
‑
12
m3/s；D是扩散系数，取1m2/s；e和ε0分别为元电荷和真空介电常数；由多组分粒子输运方程，得到粒子的速度场u为：由多组分粒子输运方程，得到粒子的速度场u为：由多组分粒子输运方程，得到粒子的速度场u为：将矢量u分解为x、...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓冶强，许军，杨仟慧，方超颖，王羽，吴强，文习山，陈小月，陈少康，谢文炳，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：