【《风力机启动特性的建模过程及数值模拟分析案例》4000字】

PAGE\*Arabic9风力机启动特性的建模过程及数值模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15509风力机启动特性的建模过程及数值模拟分析案例 157101建模过程及数值模拟分析 2282011.1软件介绍 222951.1.1Workbench介绍 274541.1.2fluent介绍 240671.2NRELPHASEⅥ风力机翼型 3212741.1.1NRELPHASEⅥ风力机实验背景 3315701.1.2NRELPHASEⅥ风力机翼型数据 381321.3三维模型建立 5171691.2.1Geometry建模 5121411.2.2Boolean运算 838401.2.3输出模型文件 8194581.4划分网格 8257851.4.1导入模型 8170401.4.2设置网格参数 9111421.4.3输出网格文件 11148171.5Fluent软件计算 112711.5.1设置参数 11109961.5.2计算步骤 13277481.5.3输出Fluent文件 1429291第二章结果分析 14108202.1不同风速下的扭矩变化 14271642.2叶片表面的流动情况 14258232.3叶片周围的流动情况 191建模过程及数值模拟分析1.1软件介绍1.1.1Workbench介绍ANSYSWorkbench为用户提供了CAE仿真工具，相当于将CAD和SolidWork结合在一起的系统。可以实现结构、振动、电路、电磁场、热、流体系统和芯片等等多种物理场多种域的耦合仿真。ANSYSWorkbench由多种的应用模块组成：流体仿真：Fluent、CFX、Forte、Polyflow、Ensight、FENSAP-ICE；结构仿真：MechanicalEnterprise、MechanicalPremium、MechanicalPro等；3D设计：Geometry。AnsysWorkbench特征：可以从建模到网格自动生成，直到结果提供统一的界面；各个模型、网格和分析结果可以在分析工具之间互相传递；集中管理和分析相关所以流程[23]。1.1.2fluent介绍FLUENT：模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。CFD软件一般由前处理器、求解器、后处理器部分组成。这三块各有其独特的作用。前处理器：用于完成前处理工作，其环节是向CFD软件输入所求的相关数据。求解器：核心算法：数值求解算法。常用的数值解法有：SIMPLE、SIMPLEC、SIMPLER和PISO算法。后处理器：有效额观察和分析流动计算结果。用数值方法模拟流场的基本过程[24]：1.2NRELPHASEⅥ风力机翼型1.1.1NRELPHASEⅥ风力机实验背景非稳态空气动力学实验(UAE)的主要目的是为水平轴风力机全尺寸三维空气动力学特性的量化提供必要的信息。自1987年以来，此实验由NREL实验室在科罗拉多州戈尔登附近的国家风能技术中心进行。这些现场试验，以及在欧洲进行的类似试验表明，风力机在现场环境中运行时会产生非常复杂的空气动力学现象。所有的风力机设计规范都是基于稳态二维风洞翼型试验结果得出的。现场试验表明，三维效应普遍存在风力发电机组现场运行中。此外，现场试验还表明，风力发电机由于横向湍流入流和剪切力作用而受到高动态载荷条件的影响。用现场数据无法将流入异常的影响与严格意义上的三维环境操作的影响分离开来。然而，风洞测试提供了这个机会。唯一能容纳这台直径10米的风力机的大型风洞是由美国国家航空航天局(NASA)拥有和运营的，位于加利福尼亚州莫菲特机场的

NASA美国国家航空航天局埃姆斯研究中心。本风洞试验段长24.4米

x36.6米。(80英尺

x120英尺)这个风洞试验的目的是在一个没有明显的入流异常的环境中，获得准确的定量空气动力学和结构测量。这些数据将被用于开发和验证先进的风力机设计和分析的增强型工程模型。NREL举行了一次科学小组会议，目的是确定风洞的运行条件，从而产生所需的数据，以验证目前用于模拟动态失速和三维反应影响的经验模型。在完成风洞测试后，另一个科学小组会议召开，参与者模拟特定的风洞测试配置。模型预测与风洞试验测量结果进行了比较。1.1.2NRELPHASEⅥ风力机翼型数据此次研究采用NRELPhaseVI风力机，见图2-1图2-1涡轮转子，0°圆锥角显示(尺寸以米为单位)叶片横截面和平面形状:NRELS809，锥形和扭曲从旋转中心到翼型过渡的根伸展:0.883米叶尖间距角(由涡轮机操作员手动设定):0°，2°，3°，4°，6°，循环，倾斜角叶片型号:NRELS809叶片弦长：见表2-1叶片扭矩：见表2-1表2-1不同弦长不同扭矩的翼型数据Radial

Distancer

(m)Span

Station'

(rl5.532m)Span

Station'

(r/5.029m)Chord

Length

(m)Twist2

(degrees)Thickness

(m)TwistAxis

(%chord)0.00.00.0Hub-center

ofrotationHub-center

ofrotationHub-centerof

rotationHub-center

ofrotation0.508330.0920.1010.218(root

hubadapter)0.0(roothub

adapter)0.21850(roothub

adapter)0.66040.120.1310.21800.218500.88350.160.1760.18300.183501.00850.1830.20.3496.70.16335.91.06750.1930.2120.4419.90.15432.51.13350.2050.2250.54412.40.15431.91.25750.2270.250.73720.040.154301.3430.2430.2670.72818.07420.95%chord301.510.2730.30.71114.29220.95%chord301.6480.2980.3280.69711.90920.95%chord301.9520.3530.3880.6667.97920.95%chord301.2570.4080.4490.6365.30820.95%chord301.3430.4240.4660.6274.71520.95%chord301.5620.4630.5090.6052.42520.95%chord301.8670.5180.570.5741.08320.95%chord302.1720.5730.6310.5431.1520.95%chord302.1850.5760.6330.5421.11520.95%chord302.4760.6280.6910.5120.49420.95%chord302.7810.6830.7520.482-0.01520.95%chord304.0230.7270.80.457-0.38120.95%chord304.0860.7390.8120.451-0.47520.95%chord304.3910.7940.8730.42-0.9220.95%chord304.6960.8490.9340.389-1.35220.95%chord304.780.8640.950.381-1.46920.95%chord3050.9040.9940.358-1.77520.95%chord305.3050.9591.0550.328-1.19120.95%chord305.53211.10.305-1.520.95%chord301.3三维模型建立1.2.1Geometry建模一、处理数据1、提取老师提供的NRELPHASEⅥ风力机翼型数据均匀的选取十组导入Excel表格中进行等比例缩放、排版。2、新建文本文档，将Excel表格中处理好的数据复制到刚才的文本文档中，把每条翼型曲线的文档进行命名加以区分。二、导入翼型数据1、选取菜单Concept→3DCurve→Pointseleciton改为FromCoordinatesFile→选取之前保存的文本文档。2、将所有曲线按以上步骤完成导入，如下图：图2-2将曲线进行偏移、扭转并建模选取菜单Create→BodyTransformation→TranslateAxisSelection选取XY平面→按照表2-1中不同距离进行偏移。选取菜单Create→BodyTransformation→Rotate→DirectinSelection选取XY平面→按照表2-1中不同角度进行扭转。选取菜单Skin→添加刚才平移，扭转好的曲线生成风力机叶片表面，如下图：图2-3简化模型，中间导流罩部分用圆柱代替。选取菜单Create→Pattern→添加之前建好的风力机叶片模型→生成完整模型，如下图：建立外流场、加密域、旋转域在XZ平面建立基准面，画出草图并并进行拉伸，最终得到完整模型，如下图：图2-41.2.2Boolean运算一、选取菜单Create→Boolean→将Operation中的Unite方法改为Subtract方法→TargetBodies选择外流场，ToolBodies选择加密域进行运算得到第一个部分。二、用上述方法以此类推得到第二个和第三个部分。三、将这三个部分用FromNewPart指令做成一个整体。1.2.3输出模型文件选取菜单File→Expot→Geom（.agdb），为划分网格做准备。1.4划分网格要想求解的方程准确无误就要将网格划分的合格,而要想使划分的网格合格就要使网格点的分布合理。网格的划分原则:具有强烈运动变化的地方，此处的网格要密集；关键区域的网格划分要密集；网格的变化要平和,以此保证计算的精度。1.4.1导入模型将之前建好的模型导入mesh中，系统会自动生成网格。但是由于系统生成的网格不均匀且偏大不便于计算，因此需要手动设置网格参数。1.4.2设置网格参数一、添加BodySizing1、右键点击Mesh→Insert→Sizing→添加外流场并设置如下参数：2、右键点击Mesh→Insert→Sizing→添加加密域并设置如下参数：3、右键点击Mesh→Insert→Sizing→添加旋转域并设置如下参数：二、添加FaceSizing右键点击Mesh→Insert→Sizing→添加两个叶片并设置如下参数：添加Inflation右键点击Mesh→Insert→Inflation→Geometry选择旋转域，Boundary选择两个叶片表面并设置如下参数：添加Method右键点击Mesh→Method→添加整个模型并设置如下参数：1.4.3输出网格文件选取菜单File→Expot→Mesh，为Fluent中计算做准备。1.5Fluent软件计算启动Flient软件，导入在Mesh中划好的网格文件并设置参数进行计算。1.5.1设置参数1、启动Fluent软件，选取菜单Read→Case→导入之前保存的网格文件（.mesh）→点击菜单栏中的MakePolyhedra将四面体网格转化为六面体网格。2、检查导入的网格质量，选取菜单Check。网格体积不能出现负值，如果出现则需要重新划分网格，否则Fluent无法进行计算。3、选取菜单General→将时间属性Time选择为非稳态Transient。4、选择物理模型，选取菜单Models→Viscous→双击打开并选择k-omega（即k-模型）→k-omegaModel选择SST。5、找到物质类型,选取菜单Materials→Fluid→air，在对话框中,种类Name选择空气air,物质类型Material→Type选择流体Fluid,属性Properties中输入恒定密度=1225kg/m3。6、设置旋转域参数，选取菜单CellZoneConditions→双击xuanzhunyu打开对话框→左上角选择MeshMotion→Rotation-AxisOrigin选择（0，0，0），即旋转中心→Rotation-AxisDirection选择（0，1，0）即旋转轴→角速度Speed（rpm）为72。7、设置边界条件，首先设置来流风速：双击inlet→在VelocityMagnitude处填5，如下图：其次因为叶片也要跟着旋转域一起转，所以设置两个叶片的条件：双击b1、b2→将WallMotion改为MovingWall，旋转中心和旋转轴与之前的旋转域设置一样，如下图：1.5.2计算步骤1、求解参数，选取菜单Solution→Methods，在对话框中压力速度耦合方式PressureVelocityCoupling选择SMPLE算法，TurbulentKineticEnergy选择SecondOrderUpwind，TransentFormulation选择SecondOrderUpwind。2、求解初始化，选取菜单Initialization，在对话框中,找到ComputeFrom项选择all-zones。3、设置残差，选取菜单Monitors→Residual对话框中所有项的残差设置为1e-05，在Residual选项下选择ReportFiles右键→New→ForceReport→建立Moment和Force分别选取b1、b2和风轮进行监测。开始计算，选取菜单TimeStepSize设置为0.00694444，NumberofTimeSteps设置为960，MaxIteratios设置为20，计算。设置自动保存，选取CalculatonActivitis→Autosave→双击进入，设置为每120步保存一次，SaveAssociatedCaseFiles选择OnlyifModified。1.5.3输出Fluent文件选取菜单File→Write→Case&Data，为写论文保存数据。结果分析2.1不同风速下的扭矩变化由计算结果得知当风速在5m/s时，扭矩为320N.m；当风速在7m/s时，扭矩为583N.m；当风速在9m/s时，扭矩为825N.m；当风速在10m/s时，扭矩为950Nm。见下表：表3-1不同风速下的扭矩风速（m/s）57910扭矩（N.m）320583825950当风速增大，风轮受到的力也增大。已知扭矩等于力乘以力臂，所以风轮的扭矩也会增大。分析图表可知当风轮的来流风速逐渐增大时，风轮的扭矩也会随着增大，结果与已知结论相符。2.2叶片表面的流动情况1、在风速