【技術(shù)簡報】風力發(fā)電機全流場數(shù)值仿真

2016-09-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

背景描述面對日益增長的能耗需求和環(huán)保方面的壓力,風能作為可再生清潔能源之一,對保護環(huán)境、維持生態(tài)平衡,以及減少對常規(guī)能源依賴、改善能源結(jié)構(gòu)都有重要意義。風能開發(fā)的過程是利用風力機的葉片接受風能并將其轉(zhuǎn)換成機械能,再驅(qū)動發(fā)電機得到電能。風力機葉片的設(shè)計直接影響風能的轉(zhuǎn)換效率,影響其年發(fā)電量,是風能利用的重要一環(huán)。為了捕獲更多風能,隨著計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)的發(fā)展,風力機的葉片設(shè)計研究工作也在不斷深入。仿真關(guān)注點和難點對于風力機葉片的優(yōu)化設(shè)計,主要方向有:(1)提高風能捕獲效率;(2)減少振動和噪聲;(3)延長壽命;(4)降低制造成本等。風力機的氣動性能是指風力機和空氣來流之間的相互作用,分析方法包含動量-葉素理論和數(shù)值求解兩種,其中數(shù)值求解Navier-Stokes方程是一種比較全面的用來計算風力機葉片氣動性能的方法。通過CFD仿真分析,可以獲得風力機不同轉(zhuǎn)速下的流場信息,包含葉片正背面的壓力和速度分布、渦量分布、湍動能分布、扭矩及功率預(yù)測等,為風力機的氣動設(shè)計和改型提供重要參考。
案例介紹風力機模型尺寸較大,一般的仿真分析僅限于對風力機單葉片的數(shù)值分析,本案例采用專業(yè)運動機械CFD軟件PumpLinx對風力機全流場進行數(shù)值分析和預(yù)測。PumpLinx強大的二叉樹笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)和求解器功能可以對風力機全流場進行快速的網(wǎng)格生成和求解計算。通過PumpLinx對風力機全模型進行數(shù)值仿真,可預(yù)測風力機全流場的氣動流場流態(tài)、葉輪的受力、扭矩和功率等性能參數(shù),為風力機的設(shè)計提供詳細的分析數(shù)據(jù)。該風力機全模型由葉片、輪轂、機艙和塔架4個部分組成,如圖所示。

流場求解采用PumpLinx內(nèi)置的風扇模板,可以快速方便輸入葉片旋轉(zhuǎn)參數(shù),控制旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格運動。葉片轉(zhuǎn)速為30RPM,流體物性參照20℃空氣物性輸入,仿真結(jié)果如下圖所示。

總結(jié) PumpLinx可以對風力發(fā)電機全流場進行數(shù)值預(yù)測,從葉片氣動壓力、流速、湍流和渦量圖,可直觀顯示葉片周圍的流場分布,葉片氣動特性和流動現(xiàn)象, 以及壓力、流速等重要氣動參數(shù)的分布特點,為風力機的設(shè)計、改型和優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)意見。PumpLinx提供了強大的自動網(wǎng)格生成器,對于幾何尺度差異懸殊的模型也能夠快速、簡便的生成網(wǎng)格,且pumplinx具有良好的計算收斂性和穩(wěn)定性。通過軟件內(nèi)置的模板能夠快速實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格運動,參數(shù)設(shè)置簡單、方便,計算速度快,精度高。PumpLinx計算結(jié)果也可輸出到結(jié)構(gòu)軟件進行流固耦合仿真,從而快速進行風力機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗證工作。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才