一種模擬風力機尾流的改進制動面模型建立方法與流程
本發明涉及一種模擬風力機尾流的改進制動面模型建立方法，屬于制動模型計算風力機尾流技術領域。
背景技術：
風電是一種可再生的清潔能源，中國風能資源豐富，風電是一種可再生的清潔能源，中國風能資源豐富，可開發利用的風資源14億kW，其中陸上6億kW、海上8億kW。近年來，計算流體力學方法在風力機流場及其氣動性能研究中得到越來越多的運用，該方法能夠準確的描述出風力機及其周圍的復雜流場。常規的風機CFD計算，為了保證風力機葉片及尾流區域的計算準確性，需要建立相對復雜的實物模型，先將固體的實體模型用專業的三維建模軟件進行建模，建模完成后再對整個流場區域進行網格劃分。三維模型的復雜性使得在整個過程中網格的劃分成為了一個難點，而且由于在風輪下游遠尾流區域內網格還要保持一定的精度，網格的數量大量增加，從而必然會導致計算量的增加。
研究人員通過將BEM理論與常規的計算流體力學方法相結合，開發出了致動模型方法，即先用BEM理論求解風輪葉片的氣動力，再將氣動力作為體積力源項添加到N-S方程中求解，模擬葉片與流場的作用力。因為模型中沒有真實的葉片的固壁邊界，所以能夠大大減少模型復雜程度以及網格數量，進而節約大量的計算資源。致動模型主要有致動盤模型、致動線模型和制動面模型。
目前致動模型的主要計算研究方向是風力機葉片的載荷特性，轉輪區域流場特性，目前現有制動面模型還不能準確計算遠尾流處流場特性。而風力機遠尾流區域的計算對于風場開發、微觀選址有著重要的參考意義。
技術實現要素：
為解決現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種模擬風力機尾流的改進制動面模型建立方法，運用改進制動面模型對風力機的尾流場進行數值模擬計算，并與致動線模型的數值模擬結果進行對比，驗證改進制動面模型方法運用在風力機遠尾流區域的計算方面以及在風場選址上的可行性。
為了實現上述目標，本發明采用如下的技術方案：
一種模擬風力機尾流的改進制動面模型建立方法，其特征是，包括如下步驟：
1)將風力機葉片簡化成無厚度的平面，在平面上施加不連續的壓力來模擬葉片對氣流的作用，形成致動模型；
2)通過BEM理對致動模型計算各截面位置的入流角φ和攻角α大小，利用迭代法計算誘導因子，再根據二維翼型氣動數據查表獲得每個翼型升力系數和阻力系數；計算得到葉片葉展方向單位長度上的體積力，從而得到沿葉片展向單位長度上的體積力源項，其中，體積力分布采取分段線性分布；
3)將體積力源項添加到制動面模型所定義的無厚度平面上，并添加一個體積力修正系，得到修正后的體積力；
4)將葉片所在平面作為制動面所在平面，根據待確定點與各個葉片的向量積對待確定點的位置進行判斷，實現網格點自動識別；并將修正后的體積力線性分段分布加載到制動面上的點中；
5)計算模擬流場：葉片旋轉后，在每個時間步長上對制動面網格重復以上步驟進行識別。
進一步地，所述步驟2)中對體積力分布采取分段線性分布時，以翼型的1/4c弦長位置為分界點，且保持1/4c弦長位置處翼型的俯仰力矩為零。
進一步地，所述步驟2)中具體計算過程如下：
相對于葉片的空氣流相對速度式中，Ω表示風輪轉速；Vz表示相對徑向速度；r為風輪半徑；Vθ表示切向速度；Vrel表示合速度；旋轉平面的入流角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度上的體積力由下式確定式中：CL＝CL(α,Re)表示升力系數；
CD＝CD(α,Re)表示阻力系數，是以攻角α和雷諾數Re為變量的函數；eL為升力方向向量；eD為阻力方向向量；雷諾數Re由c弦長和來流速度確定。
進一步地，所述步驟4)中判斷方法為：記O點為葉片旋轉中心，P點是風輪旋轉平面內任意一點，任意選擇一個葉片，Q為該葉片弦線上一點；
若則P點在葉片弦線右邊；
若則P點在葉片弦線左邊；式中，表示Z軸正方向單位向量，
與來流風速方向相反；
若P點在弦線右邊，且則P點在該葉片上；否則，判定P點不在該葉片上，則再依次與其他葉片進行匹配，確定點P在平面上的位置，從而實現計算中對平面上屬于制動面范圍內的網格點自動識別。
本發明所達到的有益效果：本發明提出的一種模擬風力機尾流的改進制動面模型，可以減少網格數量和計算時間，適應用于風力機尾流場的計算。可對近海風電場微觀選址有一定的指導意義，在工程中有很好的應用前景。
附圖說明
圖1是改進制動面模型流程圖；
圖2是葉素受力分析；
圖3是體積力分布方式；
圖4是制動面識別示意圖；
圖5是計算域劃分示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為左視圖；
圖6是體積力修正系數對比圖；
圖7是風輪后2.5D、6D和7.5D處水平線上致動模型計算風速與實驗數據對比圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
如圖1-圖7所示，本發明所建立的一種模擬風力機尾流的改進制動面模型，建立的步驟如下：
步驟1)制動面模型實質上是將風力機葉片簡化成無厚度的平面，在平面上施加不連續的壓力來模擬葉片對氣流的作用，形成制動面模型，并對制動面區域進行識別。
步驟2)葉片上各點壓力用二維翼型氣動數據，根據BEM理論計算確定。將分布的體積力在流場區域內用三維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；μ為粘度系數；f表示作用在旋轉葉片上的體積力。
然后，如圖2所示，相對于葉片的空氣流相對速度可以從上述速度三角形中得出式中：Ω表示風輪轉速；Vz表示相對徑向速度；r為風輪半徑；Vθ表示切向速度；Vrel表示合速度；旋轉平面的入流角φ可用下式求得當地攻角α＝φ-γ，其中γ為安裝角。
葉片葉展方向單位長度上的體積力由下式確定：式中：CL＝CL(α,Re)表示升力系數；CD＝CD(α,Re)表示阻力系數，是以攻角α和雷諾數Re為變量的函數；eL為升力方向向量；eD為阻力方向向量；雷諾數Re由c弦長和來流速度確定。
進一步，通過上一步體積力的計算，得到沿葉片展向單位長度的體積力源項，考慮到葉片弦長對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弦長位置為分界點，且保持1/4c弦長位置處翼型的俯仰力矩為零。這樣的分布方式更符合真實情況下的葉片固壁邊界效應，能有效的改進近尾流區域的計算準確度。
步驟3)致動模型計算葉片體積力通過BEM理論，計算各截面位置的入流角φ和攻角α大小，然后利用迭代法計算誘導因子，再根據二維翼型氣動數據查表獲得每個翼型升力系數和阻力系數最后由上述體積力公式得出。
因此在數值模擬過程中，葉片的三維特性不能夠得到充分表現，且迭代后擬合過程也存在一定誤差，從而影響計算結果準確度。
綜上考慮，添加一個體積力修正系數Cf，那么體積力可表示為：f2D'＝Cff2D。
步驟4)如圖4，葉片所在平面即為制動面所在平面，O點為葉片旋轉中心，P點是風輪旋轉平面內任意一點，任意選擇一個葉片，Q為該葉片弦線上一點。
若則P點在葉片弦線右邊；
若則P點在葉片弦線左邊。
式中，表示Z軸正方向單位向量(與來流風速方向相反)。
若P點在弦線右邊，且(c為葉片弦長)，則P點在該葉片上；若P點不在該葉片上，則再依次與另外兩個葉片進行匹配，最終可確定點P在平面上的位置，從而實現計算中對平面上屬于制動面范圍內的網格點自動識別，并將步驟2中的體積力f2D'線性分段分布加載到制動面上。
步驟5)計算模擬流場，葉片旋轉后，隨著時間t和角速度ω變化，在每個時間步長上對制動面網格重復以上步驟進行識別。
下面通過丹麥Nibe A型水平軸風力機實際數據對模型進行驗證。風機的輪轂高度為45m，風輪直徑為40m，葉片設計采用氣動翼型NACA 44系列，額定風速為13m·s-1。以Nibe A型風力機為模型在來流風速為8.5m·s-1，轉速為3.5rad·s-1的工況下，用制動面方法對風機尾流場進行了數值模擬，并將結果與實驗測量值進行比較。整個計算域設計為一個規則圓柱體，半徑140m，總長1203m，具體劃分如圖5(其中a圖中2、3是計算模型前端流場，4、5、6是計算模型后端流場，b圖7是制動面所在位置，其余是流場分塊部分)。
流場中各個分塊網格數量如下表：
表1計算域尺寸及網格參數
采用的非結構性網格，在各區域單獨加密，同時考慮到網格無關性，具體的網格大小和數量如表1所示，單個制動面弦長方向上網格數10個左右，保證了模擬結果的準確性和網格的無關系。
進一步，如圖6所示，本發明選取1.0，1.1，1.2，1.3四個體積力系數分別作計算與對比，選取風輪后2.5D及6D處截面的計算風速進行對比。比較后可見Cf＝1.2時風速曲線與實驗數據更吻合，因此選定的體積力修正系數大小為1.2時準確可靠。
進一步的，如圖7，在流場中輪轂高度截取水平面，分別導出在轉輪后側2.5D、6D和7.5D三處水平線上速度進行分析，同時將用致動線方法模擬所得結果一并列出，與實驗數據進行比較。
從圖7中可以看出，三個位置處致動線方法和制動面方法數值模擬的結果整體接近，與實驗數據(EXP)相比，兩側風速基本一致，最小風速都出現在中心位置。±1D范圍內尾流速度曲線坡度明顯減小。
在2.5D處，制動面方法與致動線方法的模擬結果和實驗數據都很吻合，整體上都呈V型，致動線方法中心位置速度略有波動；在6D和7.5D處，致動線方法計算結果和實驗數據偏差較大，軸線位置的實驗最小風速為0.7U左右，而致動線模型最小風速只有0.5U。致動線模型截面上風速曲線的趨勢和實驗數據有較大出入，依然保持V型速度曲線，尤其風輪位置(r/D＝±0.5D)風速明顯偏小，誤差超過20％，而實驗數據中速度變化曲線呈淺弧形(U型)。這說明在致動線模型的數值模擬中，遠尾流區域動能耗散與恢復和真實情況誤差較大，而制動面方法的模擬結果就相對準確很多，曲線走勢基本一致，尤其是在遠尾流區域依然保持了較高的吻合度。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
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