CN104951607A - 一种基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法，包括以下步骤：1)建立光伏支撑系统流体域和固体域的几何模型；2)分别对流体域和固体域进行网格划分；3)给定流体域和固体域的材料参数，初始条件和边界条件；4)将材料参数、初始条件和边界条件代入数值模型中，采用数值模拟方法求解得出风振响应；5)根据计算结果确定光伏支撑系统风振系数及响应的主频范围，指导光伏支撑系统的设计。本发明的计算方法以双向流固耦合理论模型作为基础，通过数值模拟来实现光伏支撑系统风振响应的计算，与光伏支撑系统实际风环境接近，可有效降低光伏工程项目建造成本。

Description

一种基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法

技术领域

本发明涉及计算机数值模拟及CAE领域，特别涉及一种基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法。

背景技术

由于全球石油、煤炭越来越接近枯竭的严峻能源形势和污染日趋严重、气候日益变暖的生态环境压力，以及太阳能光伏发电技术的不断进步，世界很多国家和政府相继出台扶持政策，鼓励和支持太阳能发电。在太阳能光伏电站项目中，电气一次设备、二次设备成本相对固定，光伏支撑系统的设计是决定可变成本的主要因素，对光伏支撑设计起控制作用的工况是风荷载，准确计算光伏支撑系统的风振特性，可在保证光伏支撑系统刚度、强度、稳定性的前提下，优化支撑系统经济指标，对光伏行业的健康发展具有重要的意义。

现有的光伏支撑系统计算多为静力计算模型，无法准确考虑支撑系统在实际风脉动环境下的风振响应，造成支撑系统成本较高。

发明内容

基于此，本发明公开了一种基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法，包括如下步骤：

S100、建立几何模型：建立光伏支撑系统流体域和固体域的几何模型；

S200、网格划分：分别对流体域和固体域进行网格划分；

S300、建立数值模型：根据流体域和固体域的网格划分结果建立流固耦合算法数值模型；

S400、设定参数：设定流体域和固体域的材料参数，初始条件和边界条件；

S500、求解风振响应：将所述材料参数、初始条件和边界条件代入所述数值模型中，采用数值模拟方法求解得出风振响应；

S600、根据风振响应确定光伏支撑系统风振系数及响应的主频范围，并用于光伏支撑系统的设计。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中生成的风速时程图及模拟的风速谱与目标谱的对照；其中图1(a)为生成的风速时程图，图1(b)为模拟的风速谱与目标谱的对照图；

图2为本发明的一个实施例中地面光伏电站中组件阵列的几何模型；

图3为本发明的一个实施例中光伏支撑系统位移云图；

图4为本发明的一个实施例中光伏支撑系统立柱顶点的位移时程图；

图5为本发明的一个实施例中光伏支撑系统斜撑的轴力时程图；

图6为本发明的一个实施例中屋顶光伏电站几何模型；

图7为本发明的一个实施例中流体域几何模型；

图8为本发明的一个实施例中流体域网格图与固体域网格图；其中图8(a)为流体域基于有限体积法的计算网格，图8(b)固体域基于有限元法的计算网格；

图9为本发明的一个实施例中固体域位移云图；

图10为本发明的一个实施例中支撑系统顶部某一点的位移历程及其功率谱密度曲线；其中图10(a)为支撑系统顶部某一点的位移历程曲线，图10(b)为支撑系统顶部某一点的功率谱密度曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法的实施方式进行进一步说明。应当理解，下述所有实施例只是本发明的实现或者优选实现方式之一，本发明并不局限于所述实施例。

在一个实施例中，本发明公开了一种基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法，包括如下步骤：

S100、建立几何模型：建立光伏支撑系统流体域和固体域的几何模型；

S200、网格划分：分别对流体域和固体域进行网格划分；

S300、建立数值模型：根据流体域和固体域的网格划分结果建立流固耦合算法数值模型；

S400、设定参数：设定流体域和固体域的材料参数，初始条件和边界条件；

S500、求解风振响应：将所述材料参数、初始条件和边界条件代入所述数值模型中，采用数值模拟方法求解得出风振响应；

S600、根据风振响应确定光伏支撑系统风振系数及响应的主频范围，指导光伏支撑系统的设计。

本实施例所公开的计算方法，首先建立流体域和固体域的几何模型并给定初值和边界条件，之后建立数值模型。所述的计算方法以完备的理论模型和数值模型作为基础，综合考虑光伏风环境中的非定常因素，通过数值计算来实现光伏支撑系统时程响应的计算，与实际环境相符，在实际中容易操作，可用于光伏阵列支撑系统的设计，大大降低了光伏电站投资成本。

本实施例中所述的几何模型为光伏支撑系统流体影响域范围内的几何模型和支撑构件的几何模型。

在一个实施例中，所述步骤S200网格划分中的网格类型包括流体域的结构化网格；固体域的四面体网格、六面体网格和梁单元网格。

进一步的，本实施例中流体域采用结构化网格划分，具体为将流体域的几何模型剖分成若干个具备扫掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，生成流体域的六面体或棱柱体网格.

固体域采用四面体、六面体或梁单元划分；所述六面体具体包括棱柱体等其他六面体；

当所述固体域采用四面体或六面体网格划分时，将固体域的几何模型剖分成若干个具备扫掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，生成流体域的四面体或六面体网格；

当所述固体域采用梁单元网格划分时，通过提取固体域几何模型纵向的形心线、设置网格密度控制数据和局部坐标系，生成梁单元网格。

在一个实施例中，所述步骤S400中的材料参数包括：

流场域模型中的湍流模型参数、平均风速、雷诺数和压强；

固体域模型中的弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、硬化系数和损伤变量。

所述步骤S400中的初始条件包括：

流体域的初始时刻的风速、空气压强、温度；

固体域的初始平衡状态。

所述步骤S400中的边界条件和所述几何模型的部位有关，包括流体域的速度入口边界对应流体域几何模型的进风口部位；

具体为所述步骤S400中的边界条件和所述模型部位相关，光伏板及地面(屋面)为刚性无滑移壁面，流体域内含入口、出口及自由边界，耦合面为可变位无滑移壁面边界，固体域内含强制位移边界、耦合面压力激励边界及其他自然应力边界。

在一个实施例中：所述步骤S300中建立流固耦合算法数值模型包括：

流体域采用的N-S方程模型、湍流模型、雷诺平均模型或者大涡模拟模型；

固体域采用的完全的拉格朗日(TL)模型、更新的拉格朗日(UL)模型、任意拉格朗日-欧拉(ALE)模型以及相应的动力时间积分格式，其中：动力时间积分格式采用Newmark法、中心差分法或者线性加速度法。

本实施例采用流固耦合算法计算脉动风影响下光伏支撑系统的风振情况，从而对光伏支撑系统的安全性做出判断。

在一个实施例中，所述步骤S500中的数值模拟方法包括：

流体域采用的有限差分法、有限体积法或者有限元法；

固体域采用的有限元法。

在一个实施例中，公开了某光伏地面电站光伏阵列支撑系统风振计算的步骤：

1)建立几何模型

建立光伏阵列流体域和固体域几何模型，模型如图2所示。其中，光伏组件固体域的几何尺寸：21m×3.43m×0.1m，安装倾角25°，底部距地面高度0.5m，光伏板间距5.983m，流体域的几何模型大小为：45m×13m×5m；光伏支撑立柱前后间距2.32m，纵向间距2.50m，组件支撑檩条最大间距1.02m。

2)进行网格划分

流体域采用结构化网格划分，具体为将流体域的几何模型剖分成若干个具备扫掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，基于扫掠特征生成流体域的六面体或棱柱体网格；

固体域采用六面体(例如，棱柱体)和梁单元划分；具体为六面体(例如，棱柱体)网格划分方法与流体域的划分方法相同，梁单元网格通过提取固体域几何模型纵向的形心线、设置单元密度控制数据和局部坐标系生成。

3)建立数值模型

本发明采用流固耦合算法计算脉动风影响下光伏支撑系统的风振情况，从而对光伏支撑系统的安全性做出判断。

流体域计算模型

采用可压缩流的大涡模型(LES)模拟空气流动，对N-S方程进行空间滤波和Favre滤波，得到流体域计算模型的基本方程：

$\frac{\∂\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}{\∂t}+\frac{\∂\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}{u}_j\right)}{\∂x_j}=0$

$\frac{\∂\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}{u}_i\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}{u}_i{u}_j\right)}{\∂x_j}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}{f}_i-\frac{\∂\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}{\∂x_i}+\frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{ji}}{\∂x_j}+\frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{ji,SGS}}{\∂x_i}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}RT$

式中，ρ为空气密度，τ_ji为流体应力张量的切向分量，u_i(或u_j)为速度张量，x_i与x_j为节点坐标，f_i为体积力，p为流体正应力张量，R为特定气体常数，T为气体温度；τ_ji，SGS为亚格子应力张量，由下式计算：

${\mathrm{\τ}}_{ji,SGS}=-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}(L_{ij}+C_j+R_{ij})$

式中，L_ij为Leonard项，C_ij为交叉项，R_ij为亚格子Reynolds项。

固体域计算模型

采用完全拉格朗日模型(TL)和Newmark隐式时间积分格式构造平衡递推关系式：

$\begin{array}{c}({K_0^t}_L+{K_0^t}_{NL}+\frac{1}{{\mathrm{\α\Δt}}^2}M){\mathrm{\Δu}}^{\left(l\right)}{=}^{t+\mathrm{\Δ}t}Q-F_0^{t+\mathrm{\Δ}t}{{}_{f\_s}}^l-M\[\frac{1}{{\mathrm{\α\Δt}}^2}\\ ({u_{t+\mathrm{\Δ}t}}^{\left(t\right)}-u_t)-\frac{1}{{\mathrm{\α\Δt}}^2}u_t-(\frac{1}{2\mathrm{\α}}-1)a_t\]\end{array}$

式中，为参考于零时刻构型的t时刻线性刚度矩阵，为参考于零时刻构型的t时刻非线性刚度矩阵(含初应力刚度矩阵和大位移刚度矩阵)，α为时间积分参数，为由t+Δt时刻流体部分传递过来的壁面压力，M为质量矩阵，Δu^(l)为第l迭代步的位移增量向量，^t+ΔtQ为t+Δt时刻的外力向量，^t+Δtu^(l)为t+Δt时刻第l迭代步的总位移向量，^tu为t时刻的总位移向量，v为速度向量，a为加速度向量

固体域梁单元局部坐标系随构型变化对单元刚度的影响通过下式考虑：

$h_k^i{}_0={\stackrel{\‾}{R}_t}_{im}h_n^m{}_t{\stackrel{\‾}{R}_t}_{nk}(m=1,2,3;n=1,\mathrm{2...12})$

式中为t时刻单元局部坐标系下插值函数张量，与为转换张量，由梁单元网格构型变化引起的欧拉角确定。

流体与固体交界面满足法向位移和法向力连续条件，按非一致网格进行映射，数据传递满足的方程：

式中M_sf与M_fs分别代表固体域到流体域的映射、流体域到固体域的映射。

交界面上的流体域壁面节点位移用下式表示：

${{\underset{\‾}{u}}_I}^f=M_{fs}{{\underset{\‾}{d}}_I}^{s-f}$

式中为交界面处固体域节点位移。

交界面上的流体壁面压力通过下式映射到固体求解域节点上：

$F_0^{t+\mathrm{\Δ}t}{{{}_{f\_s}}^l}_k={x_{t+\mathrm{\Δ}t}^0}_{i,k}{v_0}_i\underset{{\mathrm{\Γ}}^{f-s}}{\∫}{H}^{sT}{\mathrm{nH}}^s\left(M_{sf}\underset{\‾}{\mathrm{\σ}}_l^f{}_{t+\mathrm{\Δ}t}\right)dS$

式中为t+Δt到0时刻的变形梯度，H^s为固体域单元在交界面处的插值函数，⁰v_i为0时刻固体域交界面处面积微元外法线的方向余弦，为交界面上的流体壁面压力

4)给定流体域和固体域的材料参数，初始条件和边界条件

来流风向垂直于光伏阵列纵向；

流体域入口速度：v＝30m/s+v_f，P＝1.01×10⁵Pa，Re＝2.5×10⁶1/m；其中，P为压强，Re为雷诺数。v_f为脉动风速，由Davenport功率谱密度函数和自回归法(AR法)生成。

初始条件：P＝1.01×10⁵Pa，T＝288.15K；

入口边界：速度入口，即给定速度v；

图1为流体域入口边界施加的风速时程、模拟谱与目标谱之间的对照；其中图1(a)为生成的风速时程图，图1(a)中V为风速，t为时间；图1(b)为模拟的风速谱与目标风速谱的对照图，图1(b)中S表示功率谱密度，f表示时间频率；

出口边界：沿流线方向各流动参数的导数为零；

固体域材料参数：E_s＝210000×10⁶Pa，v＝0.3，ρ_s＝7890kg/m³；其中E_s为弹性模量，v为泊松比，ρ_s为材料密度；

流固耦合面边界：流体域在耦合面位置接收固体域每时刻构型的坐标数据，固体域在耦合面位置接收流体域每时刻的壁面压力；

上、侧面边界：自由滑移边界条件，即

5)根据数值模型、初始条件及边界条件，进行数值求解

将流体域材料参数，固体域材料参数，初值和边界条件代入数值计算模型中得到风振计算结果。本实施例中，对流体域采用有限体积法离散，动量方程采用有界中心差分格式，连续性方程使用二阶迎风格式，压力与速度耦合采用SIMPLE算法；对固体域采用有限元法离散，完全拉格朗日格式(TL格式)，Newmark隐式时间积分。计算时间t＝200s。

6)根据求解得到的光伏支撑系统位移、速度时间历程确定风振系数和变化主频，校核光伏支撑系统的安全性。

图3为t＝200s时光伏支撑系统的位移云图；图4为t＝200s时光伏支撑系统立柱顶点的位移时程图，其中u表示光伏支撑系统立柱顶点的位移，t表示时间；图5为支撑系统端部立柱的轴力时程图，其中N表示支撑系统端部立柱的轴力，t表示时间。

由以上计算结果可得，最大位移风振系数为1.31。

在一个实施例中：

公开了某预测某光伏屋顶电站光伏支撑系统风振计算的步骤：

光伏屋顶电站与光伏地面电站的光伏支撑系统风振计算的不同之处在于屋顶电站流场域必须考虑原有建筑与辅助导流结构的遮挡因素，具体实施步骤与上个实施例中相同。

流体域入口速度采用沿高度变化的Karman谱和谐波叠加法生成。

几何模型及坐标如图6所示，建筑物屋顶迎风面宽度49.747m，顺风向长度为55.729m，建筑物高度62.500m，光伏板阵列几何尺寸与实施例1中相同，安装倾角35°，光伏板底部距屋顶距离0.7m，阵列净距5.923m，流场域范围如图7所示。计算时间t＝28s。

图8(a)为流体域基于有限体积法的计算网格，图8(b)固体域基于有限元法的计算网格。

根据流固耦合的计算结果，固体域t＝28s时刻的变形如图9所示，m是长度单位：米。支撑系统顶部某一点的位移历程及其功率谱密度曲线如图10所示，其中图10(a)为支撑系统顶部某一点的位移历程曲线，图10(b)为支撑系统顶部某一点的功率谱密度曲线，由该历程曲线结果可得位移风振系数1.25。

本发明的基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法，首先建立流体域和固体域的几何模型并给定初值和边界条件，之后建立数值模型，采用有限差分法、有限体积法、有限元法等数值计算方法技术进行计算，来实现光伏支撑系统风振计算。本发明的计算方法以完备的理论模型和数值模型作为基础，综合考虑光伏风环境中的非定常因素，通过数值计算来实现光伏支撑系统时程响应的计算，与实际环境相符，在实际中容易操作，可指导光伏阵列支撑系统设计，大大降低了光伏电站投资成本。

需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。

Claims (8)

1.一种基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S100、建立几何模型：建立光伏支撑系统流体域和固体域的几何模型；

S200、网格划分：分别对流体域和固体域的几何模型进行网格划分；

S300、建立数值模型：基于流体域和固体域的几何模型的网格划分结果建立流固耦合算法数值模型；

S400、设定参数：设定流体域和固体域几何模型的材料参数，初始条件和边界条件；

S500、求解风振响应：将所述材料参数、初始条件和边界条件代入所述数值模型中，采用数值模拟方法求解得出风振响应；

S600、根据所述风振响应确定光伏支撑系统风振系数及响应的主频范围，并用于光伏支撑系统的设计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：优选的，所述步骤S200中的网格包括流体域的结构化网格；固体域的四面体网格、六面体网格或梁单元网格。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

当所述流体域采用结构化网格划分时，将流体域的几何模型剖分成若干个具备扫掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，生成流体域的四面体或者六面体网格；

当所述固体域采用四面体或六面体网格划分时，将固体域的几何模型剖分成若干个具备扫掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，生成固体域的四面体或六面体网格；

当所述固体域采用梁单元网格划分时，通过提取固体域几何模型纵向的形心线、设置网格密度控制数据和局部坐标系，生成梁单元网格。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S300所述的数值模型包括：

流体域采用的N-S方程模型、雷诺平均模型或者大涡模拟模型；

固体域采用的完全的拉格朗日(TL)模型、更新的拉格朗日(UL)模型、任意拉格朗日-欧拉(ALE)模型以及相应的动力时间积分格式，其中：动力时间积分格式采用Newmark法、中心差分法或者线性加速度法。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤400中几何模型的材料参数包括：

流场域模型中的湍流模型参数、平均风速、雷诺数和压强；

固体域模型中的弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、硬化系数和损伤变量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S400中所述几何模型的初始条件包括：

流体域几何模型的初始时刻的风速、空气压强和温度；

固体域几何模型的初始平衡状态。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S400的边界条件和所述几何模型的部位有关，包括；流体域的速度入口边界对应流体域几何模型的进风口部位。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S500中的数值模拟方法包括：

流体域采用的有限差分法、有限体积法或者有限元法；

固体域采用的有限元法。