一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法及存储介质技术

本发明专利技术涉及风力机叶片设计技术领域，尤其涉及一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法、装置、设备及存储介质，包括：获取风力机叶片外形尺寸，基于风力机叶片外形尺寸构建风力机叶片流场，基于风力机叶片流场，构建粘性剪切耗散模型，利用粘性剪切耗散模型，计算时均速度能量耗散，速度脉动湍流耗散和壁面摩擦的能量耗散，基于时均速度能量耗散、速度脉动湍流耗散和壁面摩擦的能量耗散，计算得总粘性剪切耗散，基于总粘性剪切耗散，构建粘性耗散分布图，基于粘性耗散分布图对所述风力机叶片形状进行优化，得到风力机叶片优化尺寸数据，通过分析叶片不同位置的粘性剪切耗散值，对形状进行优化，降低整体的粘性剪切耗散，实现风力机叶片的优化。力机叶片的优化。力机叶片的优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法及存储介质


[0001]本专利技术涉及风力机叶片设计
，特别是涉及一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法、装置、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]风力发电机是将气流的动能转化为机械能最终转化为电能的主要动力机械。典型的三叶片水平轴风力机基本构造，大致可分为4个部分：风轮、机舱、塔架以及基础。其工作原理是，风轮在风力的作用下旋转将风的动能转变为传动轴的机械能，然后传动轴通过机舱内齿轮箱变速带动发电机发电。其中风轮是风力机最重要的部分，它的主要作用是将气流中的动能捕捉转化为机械能。根据贝茨理论，风能转化为机械能的转化率，即风能利用率的理论最大值为0.593，这是在完全没有损失的理想条件下，然后实际值小于0.5，叶片气动损失是导致风能利用率降低的原因。
[0003]目前分析气动损失，主要是基于叶素理论和叶素动量模型，理论基于准定常假设，假设叶片数为无穷多，气流在叶素(叶片上每个单元)上的流动为定常，且诱导速度是均匀的。将叶片沿其长度方向分割为N等分，假设每一份叶素dr翼型一致，通过实验室测得的气动力系数计算得到每一份叶素的上所受气动力。动量理论与叶素理论是风力机叶片设计及其气动性能评估的基础，很多模型都是在这两种基本理论的基础上得来的。动量理论是描述作用在风轮上的力与来流速度直接的关系，叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段。将动量理论和叶素理论结合起来得到动量叶素理论，该理论基于二维假设，当计算叶片尖部等三维流动特征明显的区域的气动力时，需要依赖叶尖损失修正计算，包括Wilson模型和Shen模型等，但都有一定的局限性，比如Wilson模型对叶尖区域三维流场涡流对出力的影响考虑不足等。
[0004]综上所述可以看出，如何设计一种准确、快速的风力机叶片优化方法是目前有待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法，以解决现有风力机叶片气动损失大、优化过程难的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法，包括：
[0007]获取风力机叶片外形尺寸，基于所述风力机叶片外形尺寸构建风力机叶片流场；
[0008]基于所述风力机叶片流场，构建粘性剪切耗散模型；
[0009]利用所述粘性剪切耗散模型，计算时均速度能量耗散，速度脉动湍流耗散和壁面摩擦的能量耗散；
[0010]基于所述时均速度能量耗散、所述速度脉动湍流耗散和所述壁面摩擦的能量耗散，计算得总粘性剪切耗散；
[0011]基于所述总粘性剪切耗散，构建粘性耗散分布图，基于所述粘性耗散分布图对所述风力机叶片形状进行优化，得到风力机叶片优化尺寸数据。
[0012]优选地，所述构建粘性剪切耗散模型计算公式为：
[0013][0014]其中，∫
V
S
va
dV为时均速度能量耗散，∫
V
S
vf
dV为速度脉动湍流耗散，∫
A
S
v,wall
dA为壁面摩擦的能量耗散，ΔS为总熵产。
[0015]优选地，所述时均速度能量耗散计算公式为：
[0016][0017]其中，S
va
为时均速度能量耗散，T为温度，μ
mix
为动力粘度系数，分别代表直角坐标系下x，y，z三个方向的时均速度。
[0018]优选地，所述速度脉动湍流耗散计算公式为：
[0019][0020]其中，S
vf
为速度脉动湍流耗散，ε为湍流耗散率。
[0021]优选地，所述壁面摩擦的能量耗散计算公式为：
[0022][0023]其中，S
v.wall
为壁面摩擦的能量耗散，τ
wall
为壁面剪切应力，u
wall
为近壁面的时均速度。
[0024]优选地，所述基于所述粘性耗散分布图对所述风力机叶片形状进行优化，得到风力机叶片优化尺寸数据包括：
[0025]基于热力学第二定律，通过粘性剪切耗散分析方法，得到能量耗散的具体位置和大小，利用所述粘性耗散分布图，进行粘性剪切分析，基于叶片不同位置附近的粘性剪切耗散值，对所述粘性剪切耗散值高于正常值得位置进行优化处理，得到风力机叶片优化尺寸数据。
[0026]优选地，所述获取风力机叶片外形尺寸，基于所述风力机叶片外形尺寸构建风力机叶片流场包括：
[0027]获取风力机叶片外形尺寸，并基于所述风力机叶片外形尺寸建立固定计算域；
[0028]基于所述固定计算域确立转动计算域；
[0029]利用四面体网格和六面体网格为主结构网格和非结构网格，构建计算网格；
[0030]基于所述固定计算域、所述转动计算域和所述计算网格构建风力机叶片流场。
[0031]本专利技术还提供一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计装置，包括：
[0032]流场构建模块，获取风力机叶片外形尺寸，基于所述风力机叶片外形尺寸构建风力机叶片流场；
[0033]模型构建模块，基于所述风力机叶片流场，构建粘性剪切耗散模型；
[0034]耗散计算模块，利用所述粘性剪切耗散模型，计算时均速度能量耗散，速度脉动湍流耗散和壁面摩擦的能量耗散；
[0035]总粘性剪切耗散模块，基于所述时均速度能量耗散、所述速度脉动湍流耗散和所述壁面摩擦的能量耗散，计算得总粘性剪切耗散；
[0036]优化模块，基于所述总粘性剪切耗散，构建粘性耗散分布图，基于所述粘性耗散分布图对所述风力机叶片形状进行优化，得到风力机叶片优化尺寸数据。
[0037]本专利技术还提供一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计设备，包括：
[0038]存储器，用于存储计算机程序；
[0039]处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述所述一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法的步骤。
[0040]本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法的步骤。
[0041]本专利技术所提供的一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法，基于风力机叶片外形尺寸的基础上进行风力机叶片流场模拟，通过构建粘性剪切耗散模型绘制粘性剪切耗散分布图，对粘性剪切耗散分布图进行分析，通过分析叶片不同位置附近的粘性剪切耗散值，对于粘性剪切耗散值较低的位置，可以接受其形状，对于粘性剪切耗散值过高的位置，可以对其形状进行优化，从而降低整体的粘性剪切耗散，实现风力机叶片的优化。
附图说明
[0042]本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0043]图1为本专利技术所提供的一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法的第一种具体实施例的流程图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法，其特征在于，包括：获取风力机叶片外形尺寸，基于所述风力机叶片外形尺寸构建风力机叶片流场；基于所述风力机叶片流场，构建粘性剪切耗散模型；利用所述粘性剪切耗散模型，计算时均速度能量耗散，速度脉动湍流耗散和壁面摩擦的能量耗散；基于所述时均速度能量耗散、所述速度脉动湍流耗散和所述壁面摩擦的能量耗散，计算得总粘性剪切耗散；基于所述总粘性剪切耗散，构建粘性耗散分布图，基于所述粘性耗散分布图对所述风力机叶片形状进行优化，得到风力机叶片优化尺寸数据。2.如权利要求1所述的基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法，其特征在于，所述构建粘性剪切耗散模型计算公式为：ΔS＝∫
V
s
va
dV+∫
V
S
vf
dV+∫
A
S
v,wall
dA其中，∫
V
S
va
dV为时均速度能量耗散，∫
V
S
vf
dV为速度脉动湍流耗散，∫
A
S
v,wall
dA为壁面摩擦的能量耗散，ΔS为总熵产。3.如权利要求2所述的基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法，其特征在于，所述时均速度能量耗散计算公式为：其中，S
va
为时均速度能量耗散，T为温度，μ
mix
为动力粘度系数，分别代表直角坐标系下x，y，z三个方向的时均速度。4.如权利要求2所述的基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法，其特征在于，所述速度脉动湍流耗散计算公式为：其中，S
vf
为速度脉动湍流耗散，ε为湍流耗散率。5.如权利要求1所述的基于粘性剪切消耗的风力机叶片设计方法，其特征在于，所述壁面摩擦的能量耗散计算公式为：其中，S
v.wall
为壁面摩擦的能量耗散，τ
wall
为壁面剪切应力，u<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张纯，韩煜航，冯铁玲，吴家荣，张一帆，李红智，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：