一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法技术

本发明专利技术公开了属于风力发电仿真技术领域的一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法。对风力机叶片表面进行三维扫描；获取叶片的坐标；对叶片进行分段处理，切出多个截面；通过提取的截面数据计算弦长和扭角；将提取的截面坐标进行归一化处理，并将翼型按其扭角旋转至水平方向；将所得的归一化散点与数据库内已有翼型的散点坐标进行比对，确定翼型类型，若散点存在，则直接提取其气动数据，若不存在，则通过CFD计算此翼型的气动数据，并将新翼型数据返回到数据库；对机组进行整机建模，计算其气动性能，得到各个叶素处的轴向诱导因子和切向诱导因子。本发明专利技术结果可靠，切实有效地解决了部分叶片存在的数据缺失的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法


[0001]本专利技术涉及风力发电仿真
，尤其涉及一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着国内风电市场的快速发展，风力机的更新换代不断加快，叶片是风力机的重要组成部分，有的叶片由于年代久远，厂家常常联系不上或者难以提供详细的数据。在这种情况下，业主单位与第三方设计单位无法获得有效的设计参数，为后续的工作增加了难度。但随着3D扫描技术(包括激光扫描技术、结构光扫描技术)的发展，可以将现实世界数字化，获取用于分析、协作和作出最佳决策的信息，以改进和确保项目和产品的总体质量；3D扫描以其高精度、高效性、实时性等特点，正在被广泛应用于工业设计及检测的各个领域。因此，结合3D扫描的技术优势，将其应用到工业设计和工业检测中，不仅大大提高了生产效率，而且降低了生产成本，缩短了设计周期。为实现无人机扫描或地面激光扫描仪扫描外场风电机组叶片，需要一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提出一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法，包括以下步骤：
[0004]步骤1，通过无人机或地面激光扫描仪对风力机叶片表面进行三维扫描；
[0005]步骤2，通过程序读取三维翼型坐标文件，获取叶片的x、y、z坐标；
[0006]步骤3，对叶片进行分段处理，切出多个截面；
[0007]步骤4，通过提取的截面数据计算弦长和扭角；
[0008]步骤5，将提取的截面坐标进行归一化处理，并将翼型按其扭角旋转至水平方向；
[0009]步骤6，将所得的归一化散点与数据库内已有翼型的散点坐标进行比对，确定翼型类型，若散点存在，则直接提取其气动数据，若不存在，则通过CFD计算此翼型的气动数据，并将新翼型数据返回到数据库；
[0010]步骤7，基于叶素动量理论模型和自由涡尾迹模型对机组进行整机建模，计算其气动性能，得到各个叶素处的轴向诱导因子和切向诱导因子，进一步计算出风电机组的功率和扭矩。
[0011]步骤4中弦长的计算公式如下：
[0012][0013]其中，x_max和y_max分别为翼展上最远点的x坐标和y坐标，x_root和y_root分别为翼根点的x坐标和y坐标。
[0014]步骤4中扭角的计算公式如下：
[0015]twist＝arctan(k)*180/pi
[0016]k＝(y_max
‑
y_root)/(x_max
‑
x_root)
[0017]其中，x_max和y_max分别为翼展上最远点的x坐标和y坐标，x_root和y_root分别为翼根点的x坐标和y坐标。
[0018]步骤5中将翼型按其扭转角度旋转至水平方向的旋转公式为：
[0019]x1＝cos(angle)*x
‑
sin(angle)*y
[0020]y1＝cos(angle)*y+sin(angle)*x
[0021]式中x1、y1表示旋转后的坐标，angle表示扭角，x、y表示旋转前的坐标。
[0022]步骤7中轴向诱导因子和切向诱导因子的计算公式如下：
[0023][0024][0025]式中B为风轮的叶片数，C为翼型弦长，r为翼型截面处的半径，C
t
叶素截面处的切向力系数，C
n
叶素截面处的法向力系数，a为轴向诱导因子，b为切向诱导因子。
[0026]步骤7中风电机组的功率和扭矩计算公式如下：
[0027][0028]M＝∫dM＝4πV1ρΩ(1
‑
a)br3dr
[0029]式中，ρ为空气密度，V1为风轮前的气流速度，R为风轮半径，r为翼型截面处的半径，a为轴向诱导因子，b为切向诱导因子，Ω为风轮的旋转角速度。
[0030]本专利技术的有益效果在于：
[0031]本专利技术通过建立的叶素动量理论(BEM)模型和自由涡尾迹(FVW)模型进行计算，结果可靠，切实有效地解决了部分叶片存在的数据缺失的问题。
附图说明
[0032]图1为本专利技术一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法的流程图；
[0033]图2为NREL5MW叶片切面图；
[0034]图3为归一化并旋转的NREL5MW叶片切面图；
[0035]图4为本专利技术建立模型与NREL5MW标准模型功率曲线对比图。
具体实施方式
[0036]本专利技术提出一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法，下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。
[0037]图1为本专利技术一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法的流程图；具体实施方式如下：
[0038]第一步，通过无人机扫描或地面激光扫描仪对风力机叶片表面进行三维扫描，通过结合使用先进的传感器技术，实现高精度测量。
[0039]第二步，通过程序读取点云坐标文件，获取叶片的x、y、z坐标，通过绘图可以确定叶片的展向坐标轴方向，通过已有三维坐标点来读取展向坐标轴的最大位置与最小位置来获取未知叶片长度。
[0040]第三步，通过对叶片进行分段处理，沿叶片长度按5％步长切分，将所切位置的坐标与展向数据点密集点的轴向坐标进行贴近，可通过修改程序中的num值来自定义数据点的密集程度，进行筛选，在此基础上切出多个截面。以NREL5MW叶片为例，所切截面如图2所示。
[0041]第四步，通过提取的截面数据得到弦长和扭角数据。通过确定尾缘点，计算距离尾缘点最远的点定义其为前缘点并计算其弦长和角度。弦长可以通过：
[0042][0043]前缘点与尾缘点的距离得出，其中，x_max和y_max分别为翼展上最远点的x坐标和y坐标，x_root和y_root分别为翼根点的x坐标和y坐标,然后计算翼展上最远点处与翼根处连线的斜率：
[0044]k＝(y_max
‑
y_root)/(x_max
‑
x_root)
[0045]最后计算扭角：
[0046]twist＝arctan(k)*180/pi
[0047]第五步，将提取的截面坐标进行归一化处理，并将翼型按其扭转角度旋转至水平方向，旋转公式为：
[0048]x1＝cos(angle)*x
‑
sin(angle)*y
[0049]y1＝cos(angle)*y+sin(angle)*x
[0050]式中x1、y1表示旋转后的坐标，angle表示扭角，x、y表示旋转前的坐标，旋转前翼型位置用“+”表示，旋转后翼型的位置用“|”表示，旋转结果图如图3所示。
[0051]第六步，将所得的归一化散点与数据库内已有翼型的散点坐标进行比对，确定翼型类型，若存在，则直接提取其气动数据，若不存在，则通过CFD本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过无人机或地面激光扫描仪对风力机叶片表面进行三维扫描；步骤2，通过程序读取三维翼型坐标文件，获取叶片的x、y、z坐标；步骤3，对叶片进行分段处理，切出多个截面；步骤4，通过提取的截面数据计算弦长和扭角；步骤5，将提取的截面坐标进行归一化处理，并将翼型按其扭角旋转至水平方向；步骤6，将所得的归一化散点与数据库内已有翼型的散点坐标进行比对，确定翼型类型，若散点存在，则直接提取其气动数据，若不存在，则通过CFD计算此翼型的气动数据，并将新翼型数据返回到数据库；步骤7，基于叶素动量理论模型和自由涡尾迹模型对机组进行整机建模，计算其气动性能，得到各个叶素处的轴向诱导因子和切向诱导因子，进一步计算出风电机组的功率和扭矩。2.根据权利要求1所述基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法，其特征在于，所述步骤4中弦长的计算公式如下：其中，x_max和y_max分别为翼展上最远点的x坐标和y坐标，x_root和y_root分别为翼根点的x坐标和y坐标。3.根据权利要求1所述基于激光雷达扫描的风电机组建模气动特性计算方法，其特征在于，所述步骤4中扭角的计算公式如下：twist＝arctan(k)*180/pik＝(y_max
‑
y_root)/(x_max
‑
x_root)其中，x_m...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓东，冯聿昊，娄刻强，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：