海基科技最新技术简报--风力发电机全流场数值仿真

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风力发电机全流场数值仿真技术简报
1.        背景描述
面对日益增长的能耗需求和环保方面的压力，风能作为可再生清洁能源之一，对保护环境、维持生态平衡，以及减少对常规能源依赖、改善能源结构都有重要意义。风能开发的过程是利用风力机的叶片接受风能并将其转换成机械能，再驱动发电机得到电能。风力机叶片的设计直接影响风能的转换效率，影响其年发电量，是风能利用的重要一环。为了捕获更多风能，随着计算机技术和计算流体力学的发展，风力机的叶片设计研究工作也在不断深入。
2.        仿真关注点及难点
2 s) Y% Q  Z; G6 g/ Z* e对于风力机叶片的优化设计，主要方向有：（1）提高风能捕获效率；（2）减少振动和噪声；（3）延长寿命；（4）降低制造成本等。
风力机的气动性能是指风力机和空气来流之间的相互作用，分析方法包含动量-叶素理论和数值求解两种，其中数值求解Navier-Stokes方程是一种比较全面的用来计算风力机叶片气动性能的方法。通过CFD仿真分析，可以获得风力机不同转速下的流场信息，包含叶片正背面的压力和速度分布、涡量分布、湍动能分布、扭矩及功率预测等，为风力机的气动设计和改型提供重要参考。
9 d( ]. _# f. q8 i. _8 Z3.        案例介绍
$ I. f7 e' w! L; b, b& |风力机模型尺寸较大，一般的仿真分析仅限于对风力机单叶片的数值分析，本案例采用专业运动机械CFD软件PumpLinx对风力机全流场进行数值分析和预测。PumpLinx强大的二叉树笛卡尔网格技术和求解器功能可以对风力机全流场进行快速的网格生成和求解计算。通过PumpLinx对风力机全模型进行数值仿真，可预测风力机全流场的气动流场流态、叶轮的受力、扭矩和功率等性能参数，为风力机的设计提供详细的分析数据。该风力机全模型由叶片、轮毂、机舱和塔架4个部分组成，如图所示。
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风力机模型        模型网格（自适应加密）
* T& t6 O% J3 U) O/ Z8 t; T流场求解采用PumpLinx内置的风扇模板，可以快速方便输入叶片旋转参数，控制旋转区域的网格运动。叶片转速为30RPM，流体物性参照20℃空气物性输入，仿真结果如下图所示。
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风力机压力分布        风力机涡量分布        风力机湍动能分布
' ^8 `+ `% _1 g$ t$ _4.        总结
PumpLinx可以对风力发电机全流场进行数值预测，从叶片气动压力、流速、湍流和涡量图，可直观显示叶片周围的流场分布，叶片气动特性和流动现象，以及压力、流速等重要气动参数的分布特点，为风力机的设计、改型和优化提供技术指导意见。PumpLinx提供了强大的自动网格生成器，对于几何尺度差异悬殊的模型也能够快速、简便的生成网格，且pumplinx具有良好的计算收敛性和稳定性。通过软件内置的模板能够快速实现旋转区域网格运动，参数设置简单、方便，计算速度快，精度高。PumpLinx计算结果也可输出到结构软件进行流固耦合仿真，从而快速进行风力机的结构设计及验证工作。
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