【技術簡報】風力發電機全流場數值仿真

2016-09-14 by:CAE仿真在線來源:互聯網

背景描述面對日益增長的能耗需求和環保方面的壓力,風能作為可再生清潔能源之一,對保護環境、維持生態平衡,以及減少對常規能源依賴、改善能源結構都有重要意義。風能開發的過程是利用風力機的葉片接受風能并將其轉換成機械能,再驅動發電機得到電能。風力機葉片的設計直接影響風能的轉換效率,影響其年發電量,是風能利用的重要一環。為了捕獲更多風能,隨著計算機技術和計算流體力學的發展,風力機的葉片設計研究工作也在不斷深入。仿真關注點和難點對于風力機葉片的優化設計,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-葉素理論和數值求解兩種,其中數值求解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、扭矩及功率預測等,為風力機的氣動設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值分析,本案例采用專業運動機械CFD軟件PumpLinx對風力機全流場進行數值分析和預測。PumpLinx強大的二叉樹笛卡爾網格技術和求解器功能可以對風力機全流場進行快速的網格生成和求解計算。通過PumpLinx對風力機全模型進行數值仿真,可預測風力機全流場的氣動流場流態、葉輪的受力、扭矩和功率等性能參數,為風力機的設計提供詳細的分析數據。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內置的風扇模板,可以快速方便輸入葉片旋轉參數,控制旋轉區域的網格運動。葉片轉速為30RPM,流體物性參照20℃空氣物性輸入,仿真結果如下圖所示。

總結 PumpLinx可以對風力發電機全流場進行數值預測,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象, 以及壓力、流速等重要氣動參數的分布特點,為風力機的設計、改型和優化提供技術指導意見。PumpLinx提供了強大的自動網格生成器,對于幾何尺度差異懸殊的模型也能夠快速、簡便的生成網格,且pumplinx具有良好的計算收斂性和穩定性。通過軟件內置的模板能夠快速實現旋轉區域網格運動,參數設置簡單、方便,計算速度快,精度高。PumpLinx計算結果也可輸出到結構軟件進行流固耦合仿真,從而快速進行風力機的結構設計及驗證工作。

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