CN108090238B - 基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法及装置，方法包括：获取风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布；并根据风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对风力发电机组进行传热分析，获得风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式；根据热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型；利用热分析模型对待测风力发电机组进行热分析。本发明提供的基于simscape的风力发电机组的热分析方法及装置，有效地克服了现有技术中存在的CFD计算时间长、需求储存数据量大、不能进行快速的评估与预测等问题，同时也降低了人力成本和时间成本。

Description

基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及风电技术领域，尤其涉及一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法及装置。

背景技术

对于风机的热分析而言，现有技术中常采用计算流体力学CFD仿真分析与理论计算分析的方法，一般情况下，CFD计算流体力学可分为4个阶段：CAD/CAE模型、网格划分、计算求解和后处理；具体的，CAD/CAE模式前处理：一般来说，计算的物理模型比较复杂，需要进行简化清理；网格划分：划分网格对计算域进行离散计算求解：网格生成后，读入到使用的计算流体力学软件中，剩下的任务是使用求解器进行计算。其中包括，边界条件的设定，流体物性的设定，解的执行，网格的优化，结果的查看与后处理；后处理：对关注的区域、变量进行提取，然后做出可视化的效果。

然而，在实施本技术方案时，发明人发现现有技术中存在以下缺陷：CFD需要花费大量的时间、人力在前处理与网格划分；CFD的计算需要完整的几何模型的；CFD的计算时间长，需求储存数据量大，并不能进行快速的评估与预测；并且进行瞬时计算时，难度更大、要求更高；CFD是在计算域上求解偏微分方程离散后产生的代数方程；理论计算简化太多输入条件；因此误差较大，且很难对风机进行瞬态热仿真计算，进而降低了计算的精确度和可靠性。

发明内容

本发明实施例提供一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法及装置，可以有效地解决现有技术中存在的上述或其他潜在问题。

本发明实施例的一方面提供了一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法，包括：

获取风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布；并根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析，获得所述风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式；

根据所述热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型；

利用所述热分析模型对待测风力发电机组进行热分析。

本发明实施例的另一方面提供了一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析装置，包括：

获取模块，用于获取风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布；并根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析，获得所述风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式；

建模模块，用于根据所述热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型；

分析模块，用于利用所述热分析模型对待测风力发电机组进行传分析。

本发明提供的基于simscape的风力发电机组的热分析方法及装置，有效地克服了现有技术中所存在的CFD的计算时间长，需求储存数据量大，并且不能进行快速的评估与预测等问题，同时也降低了人力成本和时间成本，并保证了对待测风力发电机组进行热分析的准确可靠性，进而提高了该基于simscape的风力发电机组的热分析方法的实用性，有利于市场的推广与应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于所述simscape软件平台验证对热分析模型进行可行性验证的方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的基于所述simscape软件平台验证所建立的热分析模型的可行性的具体方法流程示意图；

图4为本发明实施例提供的利用simscape软件平台所建立的热分析模型对安装有温度传感器的待测风力发电机组进行热分析，从而获得传热仿真数据的方法流程示意图；

图5为本发明实施例提供的根据所述传热仿真数据和所述传感器数据验证所述热分析模型的可行性的方法流程示意图；

图6为本发明实施例提供的根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析的方法流程示意图一；

图7为本发明实施例提供的根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析的方法流程示意图二；

图8为本发明实施例提供的获得塔架的热传递信息的方法流程示意图；

图9为本发明实施例提供的获取所述塔架表面的雷诺数和普朗特数的方法流程示意图；

图10为本发明实施例提供的获得对流换热系数的方法流程示意图；

图11为本发明实施例提供的实际温度与仿真温度的曲线变化示意图；

图12为本发明实施例提供的基于simscape平台的风力发电机组的热分析装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法的流程示意图；参考附图1可知，本实施例提供了一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法，包括：

S11：获取风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布；并根据风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对风力发电机组进行传热分析，获得风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式；

其中，该风力发电机组为若干个风力发电机组中的任意一个，用于作为建立热分析模型的基础风力发电机组；而热源是对实际生活中发热物体的一种简化，根据性质不同可以简化成体热源、面热源、线热源、点热源等。温度认为在热源中均匀分布但是会随着热量以及周围的传热变化，热源热量一般为电子器械的功率损耗可以通过广义的欧姆定律得到、太阳辐射则可以通过辐射的计算公式估算得到；另外，为了保证风力发电机组各组件的正常运行，各组件会具有相应的散热措施，一般的散热方式包括：风冷、水冷、相变冷却，具体的各组件的散热方式在建模时都会有差别。

另外，在获取到风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布之后，可以依据上说所获得的信息在结合风力发电机的结构对风力发电机组内部的传热进行分析，通过上述分析过程，即可获取到风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式。

S12：根据热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型；

其中，本实施例所建立的热分析模型包括：风力发电机组整机模型和/或子部件模型，其中，风力发电机组整机模型用于对风力发电机组整机进行热分析，子部件模型用于对风力发电机组中的子部件进行热分析，子部件可以包括塔架、发电机、机舱、轮毂以及一些重要柜体等等。

S13：利用热分析模型对待测风力发电机组进行热分析。

其中，simscape软件平台用于仿真或建立物理模型，为了便于对多个风力发电机组快速进行热分析，可以利用热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立热分析模型，该热分析模型用于对其他待测风力发电机组进行快速、动态的热分析，以提高热分析的质量和效率，并降低人力成本和时间成本；并且在利用上述热分析模型对待测风力发电机组进行热分析之后，获得的分析数据可以为整机的温度信息，通过所获取的温度信息即可使得用户或者监护人员了解到待测风力发电机组的运行状态。

本实施例提供的基于simscape的风力发电机组的热分析方法，根据热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型，进而可以通过所建立的热分析模型对待测风力发电机组进行热分析，有效地克服了现有技术中所存在的CFD的计算时间长，需求储存数据量大，并且不能进行快速的评估与预测等问题，同时也降低了人力成本和时间成本，并保证了对风力发电机组进行热分析的准确可靠性，进而提高了该基于simscape的风力发电机组的热分析方法的实用性，有利于市场的推广与应用。

图2为本发明实施例提供的基于simscape软件平台验证对热分析模型进行可行性验证的方法流程示意图；图3为本发明实施例提供的基于simscape软件平台验证所建立的热分析模型的可行性的具体方法流程示意图；在上述实施例的基础上，图4为本发明实施例提供的利用simscape软件平台所建立的热分析模型对安装有温度传感器的待测风力发电机组进行热分析，从而获得传热仿真数据的方法流程示意图；图5为本发明实施例提供的根据传热仿真数据和传感器数据验证热分析模型的可行性的方法流程示意图；继续参考附图1-5可知，为了保证利用热分析模型对待测风力发电机组进行热分析的准确性和可靠性，将该方法中还设置有包括对热分析模型可行性分析的过程，具体的，在根据热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型之后，将方法设置为还包括：

S21：基于simscape软件平台验证所建立的热分析模型的可行性；

其中，验证所建立的热分析模型的可行性主要是用于判断热分析模型是否与待测风力发电机组的参数、类型等信息相适配，以保证热分析模型对待测风力发电机组进行热分析的精确度和可靠性，具体的，可以将基于simscape软件平台验证所建立的热分析模型的可行性的具体实现过程设置为包括：

S211：利用simscape软件平台所建立的热分析模型对安装有温度传感器的待测风力发电机组进行热分析，获得传热仿真数据；

在对热分析模型进行可行性验证时，需要利用待测风力发电机组中的任意一个风机对热分析模型进行验证，具体的，在确定一个待测风力发电机组之后，在该待测风力发电机组上安装温度传感器，该温度传感器用于采集待测风力发电机组所处环境的实际温度；在将待测风力发电机组上安装温度传感器之后，利用simscape软件平台所建立的热分析模型对该待测风力发电机组进行热分析，经过热分析之后，会获得一个仿真数据；具体的，可以将利用simscape软件平台所建立的热分析模型对安装有温度传感器的待测风力发电机组进行热分析，获得传热仿真数据设置为具体包括：

S2111：基于simscape软件平台确定待测风力发电机组的分析时间，并在分析时间内获取待测风力发电机组的环境温度、风速信息和太阳辐射信息；

由于待测风力发电机组所处的环境信息对于待测风力发电机组的运行状态影响很大，因此，为了实现对热分析模型可行性验证的准确可靠性，需要确定对待测的分析时间，该分析时间可以为一段时间，用于观测风机内部温度随外界变化的响应，用于覆盖全工况；在确定相应的分析时间后，获取待测风力发电机组在该分析时间内的环境温度、风速信息和太阳辐射信息等，具体的，可以通过风电机组运行数据或气象局数据信息中获取环境温度、风速信息和太阳辐射信息，而所获取的以上三种信息为对待测风力发电机组热分析影响较大的因素，当然的，还存在其他对待测风力发电机组热分析具有影响的因素，此时，当获取的对待测风力发电机组影响的因素越多，那么利用热分析模型对待测风力发电机组进行热分析就会越准确。

S2112：利用热分析模型对待测风力发电机组的在环境温度、风速信息和太阳辐射信息下的工作进行仿真计算，获得仿真温度。

在获取到待测风力发电机组的环境温度、风速信息以及太阳辐射信息之后，利用热分析模型对风机在上述信息下的工作进行仿真计算，即可获得仿真温度，此时所获取的仿真温度即为传热仿真数据，具体进行分析处理时，将环境温度、风速信息和太阳辐射信息作为输入运行热分析模型，从而可以获得仿真温度数据。

S212：根据温度传感器获得待测风力发电机组的传感器数据；

此时的传感器数据即为传感器温度信息，是温度传感器所获取的是待测风力发电机组在所处环境下的实际温度信息。

S213：根据传热仿真数据和传感器数据验证热分析模型的可行性。

由于传热仿真数据是利用simscape软件平台所建立的热分析模型对安装待测风力发电机组进行仿真分析所获得的结果，而传感器数据为通过温度传感器所获取的待测风力发电机组在相应环境下的实际数据，通过对热分析仿真分析数据和传感器数据进行分析判断，即可有效地确认该热分析模型是否通过可行性验证；具体的，可以将根据传热仿真数据和传感器数据验证热分析模型的可行性设置为具体包括：

S2131：根据温度传感器获取在分析时间内待测风力发电机组在环境温度、风速信息和太阳辐射信息下的实际温度；

由于热分析模型是基于待测风力发电机组所处的特定环境下进行的热分析，因此，为了提高对热分析模型可行性验证的准确可靠性，将温度传感器设置为与热分析模型对待测风力发电机组进热分析的相同环境下采集数据信息，进而可以获得在分析时间内待测风力发电机组在环境温度、风速信息和太阳辐射信息下的实际温度，以便于利用仿真温度和所采集的实际温度对热分析模型的可行性进行准确、有效验证。

S2132：若仿真温度与实际温度的差值小于或等于预设的容差范围，则确定所建立的热分析模型通过可行性验证；或者，

在根据仿真温度和实际温度确定热分析模型是否通过可行性验证时，本领域技术人员可以采用不同的分析对比方法，例如：可以将仿真温度和实际温度通过预设的分析公式来进行处理，其中，可以将仿真温度和实际温度直接减法运算，获得仿真风温度与实际温度的差值，该差值可以为正数、负数或0；或者将此时的差值设置呈为绝对值数据，即此时的差值可以为正数或0；为了提高分析的精确可靠性，较为优选的，使用均方根误差的方式来对仿真温度和实际温度进行分析处理，具体的，对在预设的时间段内设置有N个时间点，每个时间点处均可以获取一对仿真温度数据和实际温度数据，因此，可以获得N对数据，对N对数据取均方根，获得实际温度的均方根和仿真温度的均方根，从而可以获取实际温度的均方根与仿真温度的均方根差值；在获取到差值后，将该差值与预设的容差范围进行比较，该容差范围为在利用热分析模型对待测风力发电机组进行热分析时，所能允许出现的误差范围，在此误差范围内，即默认为此时的热分析模型对待测风力发电机组所进行的热分析过程为准确的；当差值与容差范围的比较结果为差值小于或等于预设的容差范围，则说明此时的热分析模型对待测风力发电机组进行的热分析过程为准确可靠的，进而可以确定所建立的热分析模型通过可行性验证，此时，即可通过该热分析模型对其他待测风力发电机组进行准确的热分析操作。

S2133：若仿真温度与实际温度的差值大于预设的容差范围，则确定所建立的热分析模型未通过可行性验证，则按照预设的调整策略对热分析模型进行修改并再次进行可行性验证，直至热分析模型通过可行性验证为止。

当差值与容差范围的比较结果为差值大于预设的容差范围，则说明此时的热分析模型对待测风力发电机组进行热分析过程的准确可靠性程度较低，进而可以确定所建立的热分析模型未通过可行性验证，此时，为了实现利用热分析模型对待测风力发电机组进行准确、有效的热分析操作，可以对所建立的热分析模型进行调整，具体的，可以按照预设的调整策略对热分析模型进行修改，经过修改完毕后，获得修改后的热分析模型，然后再次对修改后的热分析模型进行可行性验证，直到该热分析模型通过可行性验证即可，以实现通过该热分析模型对其他待测风力发电机组进行准确的热分析操作，进而实现降低人力劳动和成本的效果。

具体判断时，可以通过对表格的形式对仿真温度与实际温度进行分析，例如：附图11所示，为将仿真温度与实际温度进行对比的表格烈面，其中，该利用热分析模型对待测风力发电机组进行仿真的真实时间为172800s(即为两天)，然后设置的最大时间步长为600s，按照上述时间参数对待测风力发电机组进行仿真运行；进而获得仿真温度，然后在上述时间段内，通过温度传感器获取实际温度，通过对仿真温度和实际温度的快速整理，获得仿真温度和实际温度在上述时间段内的变化曲线，如图11所示，在图中，深色部分曲线代表的是仿真温度的变化曲线；浅色部分曲线代表的是实际温度的变化曲线，通过该对变化曲线的分析，可以快速确认热分析模型是否通过可行性验证。

以上过程通过根据已有风场数据、或者被选定地点的气候、地理因素实时分析选定风机在特定时间段的温度表现，可以快速有效地确认热分析模型是否通过可行性验证，并且在仿真需要几个小时的仿真时间接近真实值，之后仿真的结果与真是测量值的趋势完全一致，并且温度差距很小，说明热分析模型通过可行性验证，进而可以通过热分析模型对待测风力发电机组进行热分析，有效地提高了分析效率，进一步提高了该热分析方法的实用性。

S22：若确定所建立的热分析模型通过可行性验证，则利用热分析模型对待测风力发电机组进行热分析。

在确定热分析模型通过可行性验证之后，说明此时的热分析模型可以对待测风力发电机组进行准确、有效的热分析操作，因此，可以利用该热分析模型对待测风力发电机组进行热分析，进而提高了该热分析方法使用的准确可靠性，并且，通过该热分析模型对待测风力发电机组进行热分析，无需人员到达待测风力发电机组现场进行相应的热分析操作，降低了人力成本和时间成本，有效地提高了该热分析方法的实用性，有利于市场的推广与应用。

图6为本发明实施例提供的根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析的方法流程示意图一；在上述实施例的基础上，继续参考附图6可知，本实施例可以将风力发电机组中各组件设置为包括：发电机、轴系和机舱，以上所包括的发电机、轴系和机舱为风力发电机组中热分析的重要部件，此时，将根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析设置为具体包括：

S111：分别对发电机冷却系统内部的的空气流动、外表面对流、发电机外表面的太阳辐射、发电机的冷却通道与发电机的定子、磁钢、绕组和转子的传热对流以及发电机的定子、磁钢、绕组和转子之间的热传导进行传热分析，获得发电机的热传递信息；和/或，

S112：分别对轴系中的动轴、定轴以及轴承两两之间、轴系与塔架之间、轴系与机舱之间、轴系与发电机之间、轴系内部空气流动、轴承的发热状态以及轴系与电控柜体之间进行传热分析，获得轴系的热传递信息；和/或，

S113：分别对机舱表面的太阳辐射、表面对流以及热交换器的运行状态、机舱与轴系之间、机舱与发电机冷却系统内部的空气流动进行传热分析，获得机舱的热传递信息；

其中，热传递信息包括热传递路径、热传递方向和热传递方式。

由于风力发电机组包括发电机、轴系和机舱等重要子部件，因此，通过对发电机、轴系和机舱进行传热分析，从而获得发电机冷却系统内部的热传递信息、轴系的热传递信息和机舱的热传递信息，有效地使得用户了解到风力发电机组中的发电机、轴系和机舱等方面的工作状态信息，提高了风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式获取的精确度和可靠性，进而有效地保证了该热分析方法使用的稳定可靠性。

图7为本发明实施例提供的根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析的方法流程示意图二；在上述实施例的基础上，继续参考附图6-7可知，本实施例还可以将风力发电机组中各组件设置为还包括塔架、轮毂和电控柜体；进一步的，将根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析设置为还包括：

S114：分别对塔架、塔架与塔架内的塔架电控柜体之间以及塔架与轴系之间的对流换热进行传热分析，获得塔架的热传递信息；和/或，

S115：分别对轮毂表面的对流换热进行传热分析，获得轮毂的热传递信息；

S116：分别对电控柜体表面的对流换热进行传热分析，获得电控柜体的热传递信息；

其中，热传递信息包括热传递路径、热传递方向和热传递方式。

当风力发电机组中所包括的子部件越多，并对越多的子部件进行热分析时，此时可以有效地提高了风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式获取的精确度，进一步提高了该热分析方法使用的稳定可靠性，有利于市场的推广与应用。

图8为本发明实施例提供的获得塔架的热传递信息的方法流程示意图；在上述实施例的基础上，图9为本发明实施例提供的获取塔架表面的雷诺数和普朗特数的方法流程示意图；图10为本发明实施例提供的获得对流换热系数的方法流程示意图；继续参考附图6-10可知，在风力发电机组包括塔架这一子部件时，本实施例中获得轮毂的热传递信息、获得电控柜体的热传递信息的具体实现过程与获得塔架的热传递信息的过程相类似；具体的，本实施例可以将对塔架、塔架与塔架内的塔架电控柜体之间以及塔架与轴系之间的对流换热进行传热分析，获得塔架的热传递信息设置为具体包括：

S1141：对塔架上塔筒壁的传热状态、塔筒中的空气流动、太阳辐射、塔筒壁的对流状态、塔筒与塔架电控柜体之间的传热状态以及塔筒与轴系之间的热交换进行传热分析，获得塔架的热传递信息；

其中，塔架的热传递信息除了包括热传递路径、热传递方向和热传递方式之外，还包括：塔筒壁的传热量、塔筒中的空气流动热量、太阳辐射热量、塔筒壁的对流热量、塔筒与塔架电控柜体之间的传热量以及塔筒与轴系之间热交换的传热量。

具体的，可以将获得塔架的热传递信息设置为具体包括：

S11411：获取塔架表面的雷诺数和普朗特数；

本实施例中的雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，是流体力学中用于表征粘性影响的相似准则数，即用于判断空气的粘度；而普朗特数是由流体物性参数组成的一个无因次数(即无量纲参数)，表明温度边界层和流动边界层的关系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响；具体的，可以将获取塔架表面的雷诺数和普朗特数设置为具体包括：

S114111：获取塔架的不同高度处的风速信息和塔架上塔筒的塔筒直径，并获取空气的密度信息、等压比热容、热导率、粘度系数；

其中，塔架的不同高度处的风速信息可以通过测风仪测量获得，塔筒直径可以通过测量工具采集获得，而对于空气的密度信息、等压比热容、热导率和粘度系数信息与空气的温度有关，因此，可以通过测量空气的温度，通过查找空气温度与空气的密度信息、等压比热容、热导率、粘度系数的对应表格即可获取到空气的密度信息、等压比热容、热导率、粘度系数；当然的，本领域技术人员还可以采用其他的方式来获得空气的密度信息、等压比热容、热导率、粘度系数等信息，只要能够准确获取到上述信息即可，在此不再赘述。

S114112：根据风速信息、塔筒直径、密度信息和粘度系数确定雷诺数；

具体的，根据公式Re＝ρvd/η确定雷诺数，其中，v为风速信息，d为塔筒直径，ρ为密度信息，η为粘度系数，Re为雷诺数；通过上述公式，可以准确、有效地获得雷诺数。

S114113：根据等压比热容、热导率和粘度系数确定普朗特数。

具体的，根据公式Pr＝c_pμ/k确定普朗特数，其中，c_p为等压比热容，μ为粘度系数，k为热导率，Pr为普朗特数，通过上述公式，可以准确、有效地获得普朗特数，进而可以有效地保证该热分析方法使用的准确可靠性。

S11412：根据Zukauskas和Churchill and Bernstein关系公式对雷诺数和普朗特数进行分析处理，获得努塞尔数，并根据努塞尔数确定对流换热系数；

进一步的，可以将根据努塞尔数确定对流换热系数设置为具体包括：

S114121：获取塔架上塔筒的特征直径和空气导热系数；

其中，本步骤中的特征直径可以为塔筒直径，塔筒直径可以通过测量工具采集获得，而对于空气导热系数与空气的温度有关，因此，可以通过测量空气的温度，通过查找空气温度与空气导热系数的对应表格即可获取到空气导热系数。

S114122：根据特征直径、努塞尔数和空气导热系数确定对流换热系数。

进一步的，可以将根据特征直径、努塞尔数和空气导热系数确定对流换热系数设置为具体包括：

根据公式

确定对流换热系数，其中，

为对流换热系数，

为努塞尔数，k为空气导热系数，D为特征直径，其中，需要说明的是，此处的特征直径为塔筒直径。

本实施例对于获取努塞尔数的具体实现过程不做限定，本领域技术人员可以根据具体的设计需求进行设置，较为优选的，可以将通过雷诺数和普朗特数获取努塞尔数，具体的，当雷诺数小于或等于4×10⁴时，利用公式

获得努塞尔数，其中，

为努塞尔数，C为空气比热容，Re_D为雷诺数，Pr为普朗特数；并且，m与空气比热容和雷诺数呈相对应的关系，具体的数据可以通过查找以下表格对应关系进行确认：

Re<sub>D</sub>	C	m
			0.4-4	0.989	0.33
4-40	0.911	0.385
			40-4000	0.683	0.466
4000-40,000	0.193	0.618
			40，000-400,000	0.027	0.805

当雷诺数大于4×10⁴时，利用公式

获得努塞尔数，其中，

为努塞尔数，Re_D为雷诺数，Pr为普朗特数；根据Zukauskas和Churchill and Bernstein关系公式对雷诺数和普朗特数进行分析处理，可以准确地获得努塞尔数，保证了努塞尔数获得准确性和可靠度。

S11413：根据对流换热系数确定塔架的热传递信息。

通过上述公式，利用努尔赛数、塔筒直径和热导率信息确定对流换热系数，有效地保证了对流换热系数获取的精确度，而后，通过对流换热系数可以准确、有效地确定塔架的热传递信息，有效地保障了热传递信息获取的精确度，进而提高了该热分析方法使用的准确可靠性，有利于市场的推广与应用。

图12为本发明实施例提供的基于simscape平台的风力发电机组的热分析装置的结构示意图；参考附图12可知，本实施例提供了一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析装置，该热分析装置用于对待测风力发电机组进行热分析，具体的，该热分析装置包括：

获取模块1，用于获取风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布；并根据风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对风力发电机组进行传热分析，获得风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式；

建模模块2，用于根据热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型；

分析模块3，用于利用热分析模型对待测风力发电机组进行传分析。

其中，本实施例对于获取模块1、建模模块2和分析模块3的具体形状结构不做限定，本领域技术人员可以根据具体的设计需求对其进行任意设置，例如，可以将获取模块1设置为传感器或者风速仪等等，将分析模块3设置为中央处理器CPU等等，只要能够实现上述操作步骤即可；另外，本实施例中获取模块1、建模模块2和分析模块3所能够执行的操作步骤的具体实现过程和技术效果与上述实施例中步骤S11-S13的具体实现过程和技术效果相同，具体可参考上述陈述内容，在此不再赘述。

本实施例提供的基于simscape的风力发电机组的热分析装置，建模模块2根据热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型，进而可以通过所建立的热分析模型对待测风力发电机组进行热分析，有效地克服了现有技术中所存在的CFD的计算时间长，需求储存数据量大，并且不能进行快速的评估与预测等问题，同时也降低了人力成本和时间成本，进而提高了该基于simscape的风力发电机组的热分析装置的实用性，有利于市场的推广与应用。

在上述实施例的基础上，继续参考附图12可知，本实施例将装置设置为还包括：

验证模块4，用于在根据热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型之后，基于simscape软件平台验证所建立的热分析模型的可行性；

其中，本实施例对于验证模块4的具体形状结构不做限定，本领域技术人员可以根据具体的设计需求对其进行任意设置。

另外，本实施例对于验证模块4基于simscape软件平台验证所建立的热分析模型的可行性的具体实现过程不做限定，较为优选的，将验证模块4设置为具体用于：

利用simscape软件平台所建立的热分析模型对安装有温度传感器的待测风力发电机组进行热分析，获得传热仿真数据；

具体的，还可以将验证模块4设置为具体用于：

基于simscape软件平台确定待测风力发电机组的分析时间，并在分析时间内获取待测风力发电机组的环境温度、风速信息和太阳辐射信息；

利用热分析模型对待测风力发电机组在环境温度、风速信息和太阳辐射信息下的工作进行仿真计算，获得仿真温度。

根据温度传感器获得待测风力发电机组的传感器数据；

根据传热仿真数据和传感器数据验证热分析模型的可行性。

本实施例对于验证模块4具体根据传热仿真数据和传感器数据验证热分析模型的可行性的具体实现过程不做限定，其中，较为优选的，将验证模块4设置为具体用于：

根据温度传感器获取在分析时间内待测风力发电机组在环境温度、风速信息和太阳辐射信息下的实际温度；

若仿真温度与实际温度的差值小于或等于预设的容差范围，则确定所建立的热分析模型通过可行性验证；或者，

若仿真温度与实际温度的差值大于预设的容差范围，则确定所建立的热分析模型未通过可行性验证，则按照预设的调整策略对热分析模型进行修改并再次进行可行性验证，直至热分析模型通过可行性验证为止。

分析模块3，用于若确定所建立的热分析模型通过可行性验证，则利用热分析模型对待测风力发电机组进行热分析。

本实施例中分析模块3和验证模块4所能够执行的操作步骤的具体实现过程和技术效果与上述实施例中步骤S21-S22、S211-S223、S2111-S2112、S2131-S2133的具体实现过程和技术效果相同，具体可参考上述陈述内容，在此不再赘述。

分析模块3在确定热分析模型通过可行性验证之后，说明此时的热分析模型可以对待测风力发电机组进行准确、有效的热分析操作，因此，可以利用该热分析模型对待测风力发电机组进行热分析，进而提高了该热分析装置使用的准确可靠性，并且，通过该热分析模型对待测风力发电机组进行热分析，无需人员到达待测风力发电机组现场进行相应的热分析操作，降低了人力成本和时间成本，有效地提高了该热分析装置的实用性，有利于市场的推广与应用。

在上述实施例的基础上，继续参考附图12可知，本实施例可以将风力发电机组中各组件设置为包括：发电机、轴系和机舱，以上所包括的发电机、轴系和机舱为风力发电机组中热分析的重要部件，此时，可以将获取模块1设置为具体用于：

分别对发电机冷却系统内部的的空气流动、外表面对流、发电机外表面的太阳辐射、发电机的冷却通道与发电机的定子、磁钢、绕组和转子的传热对流以及所述发电机的定子、磁钢、绕组和转子之间的热传导进行传热分析，获得发电机的热传递信息；和/或，

分别对轴系中的动轴、定轴以及轴承两两之间、轴系与塔架之间、轴系与机舱之间、轴系与发电机之间、轴系内部空气流动、轴承的发热状态以及轴系与电控柜体之间进行传热分析，获得轴系的热传递信息；和/或，

分别对机舱表面的太阳辐射、表面对流以及热交换器的运行状态、机舱与轴系之间、机舱与发电机冷却系统内部的空气流动进行传热分析，获得机舱的热传递信息；

其中，热传递信息包括热传递路径、热传递方向和热传递方式。

本实施例中获取模块1所能够执行的操作步骤的具体实现过程和技术效果与上述实施例中步骤S111-S113的具体实现过程和技术效果相同，具体可参考上述陈述内容，在此不再赘述。

在上述实施例的基础上，继续参考附图12可知，本实施例还可以将风力发电机组中各组件设置为还包括塔架、轮毂和电控柜体；进一步的，本实施例还可以将获取模块1设置为具体用于：

分别对塔架、塔架与塔架内的塔架电控柜体之间以及塔架与轴系之间的对流换热进行传热分析，获得塔架的热传递信息；和/或，

分别对轮毂表面的对流换热进行传热分析，获得轮毂的热传递信息；

分别对电控柜体表面的对流换热进行传热分析，获得电控柜体的热传递信息；

其中，热传递信息包括热传递路径、热传递方向和热传递方式。

本实施例中获取模块1所能够执行的操作步骤的具体实现过程和技术效果与上述实施例中步骤S114-S116的具体实现过程和技术效果相同，具体可参考上述陈述内容，在此不再赘述。

在上述实施例的基础上，继续参考附图12可知，在风力发电机组包括塔架这一子部件时，本实施例可以将对塔架、塔架与电控柜体之间以及塔架与轴系之间的对流换热进行传热分析，获得塔架的热传递信息的具体实现过程不做限定，其中，较为优选的，将获取模块1设置为具体用于：

分别对塔架上塔筒壁的传热状态、塔筒中的空气流动、太阳辐射、塔筒壁的对流状态、塔筒与塔架电控柜体之间的传热状态以及塔筒与轴系之间的热交换进行传热分析，获得塔架的热传递信息；

其中，塔架的热传递信息除了包括热传递路径、热传递方向和热传递方式之外，还包括：塔筒壁的传热量、塔筒中的空气流动热量、太阳辐射热量、塔筒壁的对流热量、塔筒与塔架电控柜体之间的传热量以及塔筒与轴系之间热交换的传热量。

具体的，该获取模块1具体用于：

获取塔架表面的雷诺数和普朗特数；

本实施例对于获取模块1获取雷诺数和普朗特数的具体实现过程不做限定，本领域技术人员可以根据具体的设计需求对其进行任意设置，其中，较为优选的，将获取模块1设置为具体用于：

获取塔架的不同高度处的风速信息和塔架上塔筒的塔筒直径，并获取空气的密度信息、等压比热容、热导率、粘度系数；

根据风速信息、塔筒直径、密度信息和粘度系数确定雷诺数；

根据等压比热容、热导率和粘度系数确定普朗特数。

根据Zukauskas和Churchill and Bernstein关系公式对雷诺数和普朗特数进行分析处理，获得努塞尔数，并根据所述努塞尔数确定对流换热系数；

进一步的，本实施例对于分析模块3获得对流换热系数的具体实现过程不做限定，本领域技术人员可以根据具体的设计需求进行设置，其中，较为优选的，将获取模块1设置为具体用于：

获取所述塔架上塔筒的特征直径和空气导热系数；

根据所述特征直径、努塞尔数和空气导热系数确定所述对流换热系数。

具体的，将获取模块1设置为还具体用于：

根据公式

确定对流换热系数，其中，

为对流换热系数，

为努塞尔数，k为空气导热系数，D为特征直径，其中，特征直径即为塔筒的塔筒直径。

根据对流换热系数确定塔架的热传递信息。

本实施例中获取模块1所能够执行的操作步骤的具体实现过程和技术效果与上述实施例中步骤S1141、S11411-S11413、S114111-S114113、S114121-S114122的具体实现过程和技术效果相同，具体可参考上述陈述内容，在此不再赘述。

本实施例通过各种参数公式来获取相应的参数，例如雷诺数，普朗特数以及对流换热系数的确定，有效地保证了上述各个参数获取的准确可靠性，进而提高了该热分析装置使用的准确可靠性，保证了该热分析装置的实用性，提高了市场竞争力，有利于市场的推广与应用。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析方法，其特征在于，包括：

获取风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布；并根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析，获得所述风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式；

根据所述热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型；

基于所述simscape软件平台验证所建立的热分析模型的可行性；

若确定所建立的热分析模型通过可行性验证，则利用所述热分析模型对待测风力发电机组进行热分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述simscape软件平台验证所建立的热分析模型的可行性，具体包括：

利用simscape软件平台所建立的热分析模型对安装有温度传感器的待测风力发电机组进行热分析，获得传热仿真数据；

根据所述温度传感器获得待测风力发电机组的传感器数据；

根据所述传热仿真数据和所述传感器数据验证所述热分析模型的可行性。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用simscape软件平台所建立的热分析模型对安装有温度传感器的待测风力发电机组进行热分析，获得传热仿真数据，具体包括：

基于simscape软件平台确定所述待测风力发电机组的分析时间，并在所述分析时间内获取所述待测风力发电机组的环境温度、风速信息和太阳辐射信息；

利用所述热分析模型对所述待测风力发电机组在环境温度、风速信息和太阳辐射信息下的工作进行仿真计算，获得仿真温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述传热仿真数据和所述传感器数据验证所述热分析模型的可行性，具体包括：

根据所述温度传感器获取在所述分析时间内待测风力发电机组在所述环境温度、风速信息和太阳辐射信息下的实际温度；

若所述仿真温度与所述实际温度的差值小于或等于预设的容差范围，则确定所建立的热分析模型通过可行性验证；或者，

若所述仿真温度与所述实际温度的差值大于预设的容差范围，则确定所建立的热分析模型未通过可行性验证，则按照预设的调整策略对所述热分析模型进行修改并再次进行可行性验证，直至所述热分析模型通过可行性验证为止。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力发电机组中各组件包括：发电机、轴系和机舱；

所述根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析，具体包括：

分别对所述发电机冷却系统内部的空气流动、外表面对流、所述发电机外表面的太阳辐射、所述发电机的冷却通道与所述发电机的定子、磁钢、绕组和转子的传热对流以及所述发电机的定子、磁钢、绕组和转子之间的热传导进行传热分析，获得发电机的热传递信息；和/或，

分别对所述轴系中的动轴、定轴以及轴承两两之间、所述轴系与塔架之间、所述轴系与所述机舱之间、所述轴系与所述发电机之间、所述轴系内部空气流动、所述轴承的发热状态以及所述轴系与电控柜体之间进行传热分析，获得轴系的热传递信息；和/或，

分别对所述机舱表面的太阳辐射、表面对流以及热交换器的运行状态、所述机舱与轴系之间、所述机舱与所述发电机冷却系统内部的空气流动进行传热分析，获得机舱的热传递信息；

其中，所述热传递信息包括热传递路径、热传递方向和热传递方式。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述风力发电机组中各组件还包括：塔架、轮毂和电控柜体；

所述根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析，还包括：

分别对所述塔架、所述塔架与所述塔架内的塔架电控柜体之间以及所述塔架与所述轴系之间的对流换热进行传热分析，获得塔架的热传递信息；和/或，

分别对轮毂表面的对流换热进行传热分析，获得轮毂的热传递信息；

分别对所述电控柜体表面的对流换热进行传热分析，获得所述电控柜体的热传递信息；

其中，所述热传递信息包括热传递路径、热传递方向和热传递方式。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述塔架、所述塔架与所述塔架内的塔架电控柜体之间以及所述塔架与所述轴系之间的对流换热进行传热分析，获得塔架的热传递信息，具体包括：

分别对所述塔架上塔筒壁的传热状态、所述塔筒中的空气流动、太阳辐射、塔筒壁的对流状态、所述塔筒与所述塔架电控柜体之间的传热状态以及所述塔筒与所述轴系之间的热交换进行传热分析，获得塔架的热传递信息。

8.一种基于simscape平台的风力发电机组的热分析装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布；并根据所述风力发电机组中各组件的热源、散热方式以及通风冷却设备的分布对所述风力发电机组进行传热分析，获得所述风力发电机组的热传递路径、热传递方向和热传递方式；

建模模块，用于根据所述热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型；验证模块，用于在根据所述热传递路径、热传递方向和热传递方式并基于simscape软件平台建立用于风力发电机组进行传热分析的热分析模型之后，基于所述simscape软件平台验证所建立的热分析模型的可行性；

分析模块，用于若确定所建立的热分析模型通过可行性验证，则利用所述热分析模型对待测风力发电机组进行热分析。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述验证模块，具体用于：

利用simscape软件平台所建立的热分析模型对安装有温度传感器的待测风力发电机组进行热分析，获得传热仿真数据；

根据所述温度传感器获得待测风力发电机组的传感器数据；

根据所述传热仿真数据和所述传感器数据验证所述热分析模型的可行性。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述验证模块，具体用于：

基于simscape软件平台确定所述待测风力发电机组的分析时间，并在所述分析时间内获取所述待测风力发电机组的环境温度、风速信息和太阳辐射信息；

利用所述热分析模型对所述待测风力发电机组在环境温度、风速信息和太阳辐射信息下的工作进行仿真计算，获得仿真温度。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述验证模块，具体用于：

根据所述温度传感器获取在所述分析时间内待测风力发电机组在所述环境温度、风速信息和太阳辐射信息下的实际温度；

若所述仿真温度与所述实际温度的差值小于或等于预设的容差范围，则确定所建立的热分析模型通过可行性验证；或者，

若所述仿真温度与所述实际温度的差值大于预设的容差范围，则确定所建立的热分析模型未通过可行性验证，则按照预设的调整策略对所述热分析模型进行修改并再次进行可行性验证，直至所述热分析模型通过可行性验证为止。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述风力发电机组中各组件包括：发电机、轴系和机舱；所述获取模块，具体用于：

分别对所述发电机冷却系统内部的的空气流动、外表面对流、所述发电机外表面的太阳辐射、所述发电机的冷却通道与所述发电机的定子、磁钢、绕组和转子的传热对流以及所述发电机的定子、磁钢、绕组和转子之间的热传导进行传热分析，获得发电机的热传递信息；和/或，

分别对所述轴系中的动轴、定轴以及轴承两两之间、所述轴系与塔架之间、所述轴系与所述机舱之间、所述轴系与所述发电机之间、所述轴系内部空气流动、所述轴承的发热状态以及所述轴系与电控柜体之间进行传热分析，获得轴系的热传递信息；和/或，

分别对所述机舱表面的太阳辐射、表面对流以及热交换器的运行状态、所述机舱与轴系之间、所述机舱与所述发电机冷却系统内部的空气流动进行传热分析，获得机舱的热传递信息；

其中，所述热传递信息包括热传递路径、热传递方向和热传递方式。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述风力发电机组中各组件还包括：塔架、轮毂和电控柜体；所述获取模块，具体用于：

分别对所述塔架、所述塔架与所述塔架内的塔架电控柜体之间以及所述塔架与所述轴系之间的对流换热进行传热分析，获得塔架的热传递信息；和/或，

分别对轮毂表面的对流换热进行传热分析，获得轮毂的热传递信息；

分别对所述电控柜体表面的对流换热进行传热分析，获得所述电控柜体的热传递信息；

其中，所述热传递信息包括热传递路径、热传递方向和热传递方式。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述获取模块，具体用于：

分别对所述塔架上塔筒壁的传热状态、所述塔筒中的空气流动、太阳辐射、塔筒壁的对流状态、所述塔筒与所述塔架电控柜体之间的传热状态以及所述塔筒与所述轴系之间的热交换进行传热分析，获得塔架的热传递信息。

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