本發(fā)明涉及一種模擬風(fēng)力機(jī)尾流的改進(jìn)制動(dòng)面模型建立方法，屬于制動(dòng)模型計(jì)算風(fēng)力機(jī)尾流技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

風(fēng)電是一種可再生的清潔能源，中國風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電是一種可再生的清潔能源，中國風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)資源14億kW，其中陸上6億kW、海上8億kW。近年來，計(jì)算流體力學(xué)方法在風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)及其氣動(dòng)性能研究中得到越來越多的運(yùn)用，該方法能夠準(zhǔn)確的描述出風(fēng)力機(jī)及其周圍的復(fù)雜流場(chǎng)。常規(guī)的風(fēng)機(jī)CFD計(jì)算，為了保證風(fēng)力機(jī)葉片及尾流區(qū)域的計(jì)算準(zhǔn)確性，需要建立相對(duì)復(fù)雜的實(shí)物模型，先將固體的實(shí)體模型用專業(yè)的三維建模軟件進(jìn)行建模，建模完成后再對(duì)整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。三維模型的復(fù)雜性使得在整個(gè)過程中網(wǎng)格的劃分成為了一個(gè)難點(diǎn)，而且由于在風(fēng)輪下游遠(yuǎn)尾流區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格還要保持一定的精度，網(wǎng)格的數(shù)量大量增加，從而必然會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量的增加。

研究人員通過將BEM理論與常規(guī)的計(jì)算流體力學(xué)方法相結(jié)合，開發(fā)出了致動(dòng)模型方法，即先用BEM理論求解風(fēng)輪葉片的氣動(dòng)力，再將氣動(dòng)力作為體積力源項(xiàng)添加到N-S方程中求解，模擬葉片與流場(chǎng)的作用力。因?yàn)槟Ｐ椭袥]有真實(shí)的葉片的固壁邊界，所以能夠大大減少模型復(fù)雜程度以及網(wǎng)格數(shù)量，進(jìn)而節(jié)約大量的計(jì)算資源。致動(dòng)模型主要有致動(dòng)盤模型、致動(dòng)線模型和制動(dòng)面模型。

目前致動(dòng)模型的主要計(jì)算研究方向是風(fēng)力機(jī)葉片的載荷特性，轉(zhuǎn)輪區(qū)域流場(chǎng)特性，目前現(xiàn)有制動(dòng)面模型還不能準(zhǔn)確計(jì)算遠(yuǎn)尾流處流場(chǎng)特性。而風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)尾流區(qū)域的計(jì)算對(duì)于風(fēng)場(chǎng)開發(fā)、微觀選址有著重要的參考意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種模擬風(fēng)力機(jī)尾流的改進(jìn)制動(dòng)面模型建立方法，運(yùn)用改進(jìn)制動(dòng)面模型對(duì)風(fēng)力機(jī)的尾流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并與致動(dòng)線模型的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證改進(jìn)制動(dòng)面模型方法運(yùn)用在風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)尾流區(qū)域的計(jì)算方面以及在風(fēng)場(chǎng)選址上的可行性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種模擬風(fēng)力機(jī)尾流的改進(jìn)制動(dòng)面模型建立方法，其特征是，包括如下步驟：

1)將風(fēng)力機(jī)葉片簡(jiǎn)化成無厚度的平面，在平面上施加不連續(xù)的壓力來模擬葉片對(duì)氣流的作用，形成致動(dòng)模型；

2)通過BEM理對(duì)致動(dòng)模型計(jì)算各截面位置的入流角φ和攻角α大小，利用迭代法計(jì)算誘導(dǎo)因子，再根據(jù)二維翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)查表獲得每個(gè)翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)；計(jì)算得到葉片葉展方向單位長(zhǎng)度上的體積力，從而得到沿葉片展向單位長(zhǎng)度上的體積力源項(xiàng)，其中，體積力分布采取分段線性分布；

3)將體積力源項(xiàng)添加到制動(dòng)面模型所定義的無厚度平面上，并添加一個(gè)體積力修正系，得到修正后的體積力；

4)將葉片所在平面作為制動(dòng)面所在平面，根據(jù)待確定點(diǎn)與各個(gè)葉片的向量積對(duì)待確定點(diǎn)的位置進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別；并將修正后的體積力線性分段分布加載到制動(dòng)面上的點(diǎn)中；

5)計(jì)算模擬流場(chǎng)：葉片旋轉(zhuǎn)后，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上對(duì)制動(dòng)面網(wǎng)格重復(fù)以上步驟進(jìn)行識(shí)別。

進(jìn)一步地，所述步驟2)中對(duì)體積力分布采取分段線性分布時(shí)，以翼型的1/4c弦長(zhǎng)位置為分界點(diǎn)，且保持1/4c弦長(zhǎng)位置處翼型的俯仰力矩為零。

進(jìn)一步地，所述步驟2)中具體計(jì)算過程如下：

相對(duì)于葉片的空氣流相對(duì)速度式中，Ω表示風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；V_z表示相對(duì)徑向速度；r為風(fēng)輪半徑；V_θ表示切向速度；V_rel表示合速度；旋轉(zhuǎn)平面的入流角φ可用下式求得

攻角α＝φ-γ，其中γ為安裝角；葉片葉展方向單位長(zhǎng)度上的體積力由下式確定式中：C_L＝C_L(α,Re)表示升力系數(shù)；

C_D＝C_D(α,Re)表示阻力系數(shù)，是以攻角α和雷諾數(shù)Re為變量的函數(shù)；e_L為升力方向向量；e_D為阻力方向向量；雷諾數(shù)Re由c弦長(zhǎng)和來流速度確定。

進(jìn)一步地，所述步驟4)中判斷方法為：記O點(diǎn)為葉片旋轉(zhuǎn)中心，P點(diǎn)是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)任意一點(diǎn)，任意選擇一個(gè)葉片，Q為該葉片弦線上一點(diǎn)；

若則P點(diǎn)在葉片弦線右邊；

若則P點(diǎn)在葉片弦線左邊；式中，表示Z軸正方向單位向量，

與來流風(fēng)速方向相反；

若P點(diǎn)在弦線右邊，且則P點(diǎn)在該葉片上；否則，判定P點(diǎn)不在該葉片上，則再依次與其他葉片進(jìn)行匹配，確定點(diǎn)P在平面上的位置，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算中對(duì)平面上屬于制動(dòng)面范圍內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：本發(fā)明提出的一種模擬風(fēng)力機(jī)尾流的改進(jìn)制動(dòng)面模型，可以減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，適應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)尾流場(chǎng)的計(jì)算。可對(duì)近海風(fēng)電場(chǎng)微觀選址有一定的指導(dǎo)意義，在工程中有很好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是改進(jìn)制動(dòng)面模型流程圖；

圖2是葉素受力分析；

圖3是體積力分布方式；

圖4是制動(dòng)面識(shí)別示意圖；

圖5是計(jì)算域劃分示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為左視圖；

圖6是體積力修正系數(shù)對(duì)比圖；

圖7是風(fēng)輪后2.5D、6D和7.5D處水平線上致動(dòng)模型計(jì)算風(fēng)速與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1-圖7所示，本發(fā)明所建立的一種模擬風(fēng)力機(jī)尾流的改進(jìn)制動(dòng)面模型，建立的步驟如下：

步驟1)制動(dòng)面模型實(shí)質(zhì)上是將風(fēng)力機(jī)葉片簡(jiǎn)化成無厚度的平面，在平面上施加不連續(xù)的壓力來模擬葉片對(duì)氣流的作用，形成制動(dòng)面模型，并對(duì)制動(dòng)面區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。

步驟2)葉片上各點(diǎn)壓力用二維翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)BEM理論計(jì)算確定。將分布的體積力在流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)用三維N-S方程求解，不可壓縮N-S方程：式中：為速度；ρ為流體密度；p為壓強(qiáng)；μ為粘度系數(shù)；f表示作用在旋轉(zhuǎn)葉片上的體積力。

然后，如圖2所示，相對(duì)于葉片的空氣流相對(duì)速度可以從上述速度三角形中得出式中：Ω表示風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；V_z表示相對(duì)徑向速度；r為風(fēng)輪半徑；V_θ表示切向速度；V_rel表示合速度；旋轉(zhuǎn)平面的入流角φ可用下式求得當(dāng)?shù)毓ソ铅粒溅?γ，其中γ為安裝角。

葉片葉展方向單位長(zhǎng)度上的體積力由下式確定：式中：C_L＝C_L(α,Re)表示升力系數(shù)；C_D＝C_D(α,Re)表示阻力系數(shù)，是以攻角α和雷諾數(shù)Re為變量的函數(shù)；e_L為升力方向向量；e_D為阻力方向向量；雷諾數(shù)Re由c弦長(zhǎng)和來流速度確定。

進(jìn)一步，通過上一步體積力的計(jì)算，得到沿葉片展向單位長(zhǎng)度的體積力源項(xiàng)，考慮到葉片弦長(zhǎng)對(duì)葉片上體積力分布的影響，模型中體積力分布采取分段線性分布方式，如圖3所示，以翼型的1/4c弦長(zhǎng)位置為分界點(diǎn)，且保持1/4c弦長(zhǎng)位置處翼型的俯仰力矩為零。這樣的分布方式更符合真實(shí)情況下的葉片固壁邊界效應(yīng)，能有效的改進(jìn)近尾流區(qū)域的計(jì)算準(zhǔn)確度。

步驟3)致動(dòng)模型計(jì)算葉片體積力通過BEM理論，計(jì)算各截面位置的入流角φ和攻角α大小，然后利用迭代法計(jì)算誘導(dǎo)因子，再根據(jù)二維翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)查表獲得每個(gè)翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)最后由上述體積力公式得出。

因此在數(shù)值模擬過程中，葉片的三維特性不能夠得到充分表現(xiàn)，且迭代后擬合過程也存在一定誤差，從而影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度。

綜上考慮，添加一個(gè)體積力修正系數(shù)C_f，那么體積力可表示為：f_2D'＝C_ff_2D。

步驟4)如圖4，葉片所在平面即為制動(dòng)面所在平面，O點(diǎn)為葉片旋轉(zhuǎn)中心，P點(diǎn)是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)任意一點(diǎn)，任意選擇一個(gè)葉片，Q為該葉片弦線上一點(diǎn)。

若則P點(diǎn)在葉片弦線右邊；

若則P點(diǎn)在葉片弦線左邊。

式中，表示Z軸正方向單位向量(與來流風(fēng)速方向相反)。

若P點(diǎn)在弦線右邊，且(c為葉片弦長(zhǎng))，則P點(diǎn)在該葉片上；若P點(diǎn)不在該葉片上，則再依次與另外兩個(gè)葉片進(jìn)行匹配，最終可確定點(diǎn)P在平面上的位置，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算中對(duì)平面上屬于制動(dòng)面范圍內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別，并將步驟2中的體積力f_2D'線性分段分布加載到制動(dòng)面上。

步驟5)計(jì)算模擬流場(chǎng)，葉片旋轉(zhuǎn)后，隨著時(shí)間t和角速度ω變化，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上對(duì)制動(dòng)面網(wǎng)格重復(fù)以上步驟進(jìn)行識(shí)別。

下面通過丹麥Nibe A型水平軸風(fēng)力機(jī)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。風(fēng)機(jī)的輪轂高度為45m，風(fēng)輪直徑為40m，葉片設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)翼型NACA 44系列，額定風(fēng)速為13m·s^-1。以Nibe A型風(fēng)力機(jī)為模型在來流風(fēng)速為8.5m·s^-1，轉(zhuǎn)速為3.5rad·s^-1的工況下，用制動(dòng)面方法對(duì)風(fēng)機(jī)尾流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行比較。整個(gè)計(jì)算域設(shè)計(jì)為一個(gè)規(guī)則圓柱體，半徑140m，總長(zhǎng)1203m，具體劃分如圖5(其中a圖中2、3是計(jì)算模型前端流場(chǎng)，4、5、6是計(jì)算模型后端流場(chǎng)，b圖7是制動(dòng)面所在位置，其余是流場(chǎng)分塊部分)。

流場(chǎng)中各個(gè)分塊網(wǎng)格數(shù)量如下表：

表1計(jì)算域尺寸及網(wǎng)格參數(shù)

采用的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，在各區(qū)域單獨(dú)加密，同時(shí)考慮到網(wǎng)格無關(guān)性，具體的網(wǎng)格大小和數(shù)量如表1所示，單個(gè)制動(dòng)面弦長(zhǎng)方向上網(wǎng)格數(shù)10個(gè)左右，保證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和網(wǎng)格的無關(guān)系。

進(jìn)一步，如圖6所示，本發(fā)明選取1.0，1.1，1.2，1.3四個(gè)體積力系數(shù)分別作計(jì)算與對(duì)比，選取風(fēng)輪后2.5D及6D處截面的計(jì)算風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比。比較后可見C_f＝1.2時(shí)風(fēng)速曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更吻合，因此選定的體積力修正系數(shù)大小為1.2時(shí)準(zhǔn)確可靠。

進(jìn)一步的，如圖7，在流場(chǎng)中輪轂高度截取水平面，分別導(dǎo)出在轉(zhuǎn)輪后側(cè)2.5D、6D和7.5D三處水平線上速度進(jìn)行分析，同時(shí)將用致動(dòng)線方法模擬所得結(jié)果一并列出，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

從圖7中可以看出，三個(gè)位置處致動(dòng)線方法和制動(dòng)面方法數(shù)值模擬的結(jié)果整體接近，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(EXP)相比，兩側(cè)風(fēng)速基本一致，最小風(fēng)速都出現(xiàn)在中心位置。±1D范圍內(nèi)尾流速度曲線坡度明顯減小。

在2.5D處，制動(dòng)面方法與致動(dòng)線方法的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都很吻合，整體上都呈V型，致動(dòng)線方法中心位置速度略有波動(dòng)；在6D和7.5D處，致動(dòng)線方法計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，軸線位置的實(shí)驗(yàn)最小風(fēng)速為0.7U左右，而致動(dòng)線模型最小風(fēng)速只有0.5U。致動(dòng)線模型截面上風(fēng)速曲線的趨勢(shì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大出入，依然保持V型速度曲線，尤其風(fēng)輪位置(r/D＝±0.5D)風(fēng)速明顯偏小，誤差超過20％，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中速度變化曲線呈淺弧形(U型)。這說明在致動(dòng)線模型的數(shù)值模擬中，遠(yuǎn)尾流區(qū)域動(dòng)能耗散與恢復(fù)和真實(shí)情況誤差較大，而制動(dòng)面方法的模擬結(jié)果就相對(duì)準(zhǔn)確很多，曲線走勢(shì)基本一致，尤其是在遠(yuǎn)尾流區(qū)域依然保持了較高的吻合度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。