一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法技术

本发明专利技术公开了一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法，属于风力机叶片设计领域。该方法首先进行风力机叶片流场模拟，对常规风力机叶片流场模拟的基础上进行流固耦合模拟仿真，构建熵产模型，基于叶片流场模拟和流固耦合仿真的结果，分别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，然后将各项进行加和，得到总熵产率，判断该风力机叶片的气动损失。本发明专利技术从热力学第二定律出发，宏观上考虑了在风力发电机转动的过程中实际流动系统中的分离、旋涡流动等不可逆因素，使得机械能耗散为流体内能，从而从流动过程中的能量耗散即总熵产来描述风力机叶片气动损失。失。失。

【技术实现步骤摘要】
一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法


[0001]本专利技术属于风力机叶片设计领域，特别涉及一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法。

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。由于叶素理论的局限性，众多学者提出了修正模型，包括尾流模型、偏航修正模型和动力失速模型等等，各模型都从各自的角度完善了叶素理论，但仍不能完全描述气动损失。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法。在风力发电机转动的过程中，实际的流动系统中总是伴随着分离、旋涡流动等不可逆因素，促使机械能耗散为流体内能。从热力学第二定律出发，流动过程中的能量耗散可以使用熵产进行描述。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法，具体步骤包括：
[0007]步骤1、首先进行风力机叶片流场模拟，对常规风力机叶片流场模拟的基础上进行流固耦合模拟仿真；
[0008]步骤2、构建熵产模型如下：
[0009][0010]其中，ΔS为总熵产，为时均速度能量耗散，为速度脉动湍流耗散，为壁面摩擦的能量耗散；
[0011]步骤3、根据流固耦合的计算结果，分别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
[0012]步骤4、根据计算出来的总熵产率判断叶片的气动损失。
[0013]本专利技术进一步的改进在于，步骤1中，流固耦合的过程中引入动网格技术，选定初始网格、边界运动的方式，并指定参与运动流场区域，采用边界型函数或者UDF定义边界运动形式，选择动网格更新模型确保网格在模拟的过程中实时更新。
[0014]本专利技术进一步的改进在于，步骤1中，流场区域的尺寸针对风机高度要求为：风力机距流域入口距离大于四倍风机高度。
[0015]本专利技术进一步的改进在于，步骤1中，建筑距流域出口距离大于八倍风机高度。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，步骤1中，除地面以外的墙与风机之间的距离大于四倍风机高度。
[0017]本专利技术进一步的改进在于，步骤2中，时均速度引起的能量耗散造成的熵产率S
va
表示如下：
[0018][0019]式中，T表示温度，t表示时间，μ
mix
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。
[0020]本专利技术进一步的改进在于，步骤2中，速度脉动引起的湍流耗散熵产率S
vf
表示为：
[0021][0022]式中，ε表示湍流耗散率。
[0023]本专利技术进一步的改进在于，步骤2中，壁面摩擦引起的壁面熵产率S
v.wall
的表达式为：
[0024][0025]式中，τ
wall
表示壁面剪切应力，u
wall
表示近壁面的时均速度。
[0026]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0027]本专利技术提供的一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法，从热力学第二定律出发，宏观上考虑了在风力发电机转动的过程中实际流动系统中的分离、旋涡流动等不可逆因素，使得机械能耗散为流体内能，从而从流动过程中的能量耗散即总熵产来描述风力机叶片气动损失。
附图说明
[0028]图1为本专利技术一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法的流程图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0030]如图1所示，本专利技术提供的一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法，其具体步骤包括：
[0031]首先进行风力机叶片流场模拟，考虑到百米级风力机叶片柔性不可忽略，叶片产生较大形变，流
‑
固耦合效应明显，因此需要对常规风力机叶片流场模拟的基础上进行流固耦合模拟仿真。
[0032]流固耦合的过程中需要引入动网格技术，选定初始网格、边界运动的方式，并指定参与运动流场区域，采用边界型函数或者UDF定义边界运动形式，选择合理的动网格更新模型确保网格在模拟的过程中实时更新。
[0033]风力发电机结构可以简化为3个叶片、轮毂、机舱和塔架4个主要部分。流场区域的尺寸针对风机高度要求为：(1)风力机距流域入口距离大于四倍风机高度；(2)建筑距流域出口距离大于八倍风机高度；(3)除地面以外的墙与风机之间的距离大于四倍风机高度。根据要求建立尺寸为1200m
×
800m
×
500m(长
×
宽
×
高)的空间体作为固定计算域。并设计恰好能包含叶片在内的圆柱状区域作为转动计算域。采用四面体网格和六面体网格为主的结构和非结构化网格作为计算网格。
[0034]构建熵产模型，根据流固耦合的计算结果，分别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，然后将各项进行加和，得到总熵产率，判断该风力机叶片的气动损失。
[0035]实际的流动系统中总是伴随着分离、旋涡流动等不可逆因素，促使机械能耗散为流体内能。从热力学第二定律出发，流动过程中的能量耗散可以使用熵产进行描述。通过熵产分析方法，不仅可以确切地得到能量耗散的具体位置和大小，还可以根据能量耗散产生的原因对其进行区分归类。
[0036]经典不可逆热力学的时间平均熵输运方程：
[0037][0038]式中，ρ表示密度，T表示温度，t表示时间，s表示比熵值，q表示热流密度，τ
ij
和(p
s
‑
p
h
)δ
ij
为应力张量，ψ
l
和ψ
v
分别表示化学势，ρY由辐射和化学反应等衍生而来，在风力机中可以忽略不计。
[0039]将上式右边的第一项和第二项使用剪切应力τ
ij
和正应力σ
ii
代替，可以将式改写为如下形式：
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤1、首先进行风力机叶片流场模拟，对常规风力机叶片流场模拟的基础上进行流固耦合模拟仿真；步骤2、构建熵产模型如下：其中，ΔS为总熵产，为时均速度能量耗散，为速度脉动湍流耗散，为壁面摩擦的能量耗散；步骤3、根据流固耦合的计算结果，分别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步骤4、根据计算出来的总熵产率判断叶片的气动损失。2.根据权利要求1所述的一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，步骤1中，流固耦合的过程中引入动网格技术，选定初始网格、边界运动的方式，并指定参与运动流场区域，采用边界型函数或者UDF定义边界运动形式，选择动网格更新模型确保网格在模拟的过程中实时更新。3.根据权利要求1所述的一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，步骤1中，流场区域的尺寸针对风机高度要求为：风力机距流域入口距离大于四倍风机高度。4.根据权利要求1所述的一种基于熵产分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，步骤1中，建筑距流域出口距离大...

【专利技术属性】
技术研发人员：张纯，韩煜航，吴家荣，李凯伦，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：