CN110826171B - 风机的外流场模拟方法、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

风机的外流场模拟方法、装置及计算机可读存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN110826171B
CN110826171B CN201910882993.2A CN201910882993A CN110826171B CN 110826171 B CN110826171 B CN 110826171B CN 201910882993 A CN201910882993 A CN 201910882993A CN 110826171 B CN110826171 B CN 110826171B
Authority
CN
China
Prior art keywords
grid
static
dynamic
interface
calculation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910882993.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110826171A (zh
Inventor
陈荣亮
蔡小川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Original Assignee
Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS filed Critical Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority to CN201910882993.2A priority Critical patent/CN110826171B/zh
Publication of CN110826171A publication Critical patent/CN110826171A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110826171B publication Critical patent/CN110826171B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本申请公开了一种风机的外流场模拟方法、装置及计算机可读存储介质，其中，风机包括机塔和转子，外流场模拟方法包括：定义静态计算区域和动态计算区域，静态计算区域包括机塔，动态计算区域包括转子；对静态计算区域和动态计算区域进行离散化处理，得到静态网格和动态网格，其中，在静态计算区域和动态计算区域相连的动静界面处包括静态界面网格和动态界面网格；对静态界面网格和动态界面网格之间进行插值计算，以分别对静态计算区域的数学模型和动态计算区域的数学模型进行计算。本申请可准确的模拟风机的外流场。

Description

风机的外流场模拟方法、装置及计算机可读存储介质
技术领域
本申请涉及风机领域，特别是涉及一种风机的外流场模拟方法、装置以及计算机可读存储介质。
背景技术
风能逐渐成为越来越流行的新能源，通常通过风机实现风能的转换，有效的提高风能可从风叶结构、风机间的间距等方面进行优化，而优化的基础在于能够准确的模拟风机的外流场，这样才能基于准确的模拟结果进行优化计算。
而风机包括固定的机塔和转动的转子，对吹过其的外流场进行模拟的难度较大，很难准确的模拟经过风机的外流场。
发明内容
本申请提供一种对风机的外流场模拟方法、装置以及计算机可读存储介质，以解决现有技术中难以准确模拟风机中外流场的问题。
为解决上述技术问题，本申请提出一种风机的外流场模拟方法，风机包括机塔和转动连接于机塔的风叶，外流场模拟方法包括：定义静态计算区域和动态计算区域，静态计算区域包括机塔，动态计算区域包括转子；将静态计算区域和动态计算区域进行离散化处理，得到静态网格和动态网格；其中，在静态计算区域和动态计算区域相连的动静界面处包括静态界面网格和动态界面网格；对静态界面网格和动态界面网格之间进行插值计算，以分别对静态计算区域的数学模型和动态计算区域的数学模型进行计算。
为解决上述技术问题，本申请提出一种风机的外流场模拟方装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
为解决上述技术问题，本申请提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本申请对经过风机的外流场进行模拟，风机包括机塔和转动连接于机塔的风叶，模拟方法中，首先定义出包括机塔的静态计算区域和包括风叶的动态计算区域，为便于计算，对静态计算区域和动态计算区域进行离散化处理，得到静态网格和动态网格，其中在动态计算区域和静态计算区域相连接的动静界面处包括静态界面网格和动态界面网格，通过静态界面网格和动态界面网格之间的插值计算，连接静态网格和动态网格，从而能够准确的计算静态计算区域的数学模型和动态计算区域的数学模型。即准确的模拟出经过风机的外流场情况。
附图说明
图1是本申请风机的外流场模拟方法一实施例的流程示意图；
图2是图1所示实施例中计算区域的定义示意图；
图3是图1所示实施例中界面网格的示意图；
图4是本申请风机的外流场模拟装置一实施例的结构示意图；
图5是本申请计算机可读存储介质一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对发明所提供的一种风机的外流场模拟方法、外流场模拟装置以及计算机可读存储介质做进一步详细描述。
请参阅图1，图1是本申请风机的外流场模拟方法一实施例的流程示意图。本实施例模拟方法包括以下步骤：
S101：定义静态计算区域和动态计算区域。
本实施例中，在对外流场进行模拟时，首先将外流场模拟成一个圆柱体，然后对该圆柱体中各个点的状态进行模拟计算。由于风机包括机塔和转子，机塔为静态，转子转动设置在机塔上，为动态。在进行数学模拟时，风机中动静两个状态的元件对外流场的影响无法采用简单的数学模型来表示，相应的计算也很复杂，因此，本实施例中将模拟外流场的计算区域划分为静态计算区域和动态计算区域，如图2所示，图2是图1所示实施例中计算区域的定义示意图。
其中，Ωs表示静态计算区域，包括机塔tower；
Figure BDA0002206439810000031
为动态计算区域，包括转子rotor，由于转子为转动的，因此该动态计算区域也是动态变化的。在静态计算区域和动态计算区域之间定义为动静界面Γinterface，该动静界面即连接静态计算区域和动态计算区域的界面，在计算两计算区域的数学模型时，也应以动静界面的数值相同来实现数学模型的计算
本实施例中，计算区域还定义有外周界面Γwall，外流场由动态计算区域朝向静态计算区域流动，因而还定义有流入界面Γinlet和流出界面Γoutlet。并且，为了方便后面步骤中的数学计算，对计算区域建立坐标轴X-Y-Z，其中，在所述动态计算区域建立坐标，Z与所述机塔平行，X与Z构成的平面与风叶所在平面平行，Y垂直于所述X与Z构成的平面。动态区域的运动是在X-Z平面，而在Y方向没有运动。
针对计算区域建立的数学模型具体如下。
静态计算区域的数学模型为：
Figure BDA0002206439810000032
Figure BDA0002206439810000033
us＝0 on Γwall×(0，T)
σs·n＝0 on Γoutlet×(0，T)
us＝u0 in Ωs att＝0
其中，
Figure BDA0002206439810000034
Ωs表示静态计算区域，us表示外流场的速度，ps表示所述外流场的压力，n表示静态计算区域中沿着外流场流出方向的单位法线，Γoutlet表示外流场的流出界面，Γwall表示静态计算区域的外周界面。
动态计算区域的数学模型为：
Figure BDA0002206439810000035
Figure BDA0002206439810000036
Figure BDA0002206439810000037
Figure BDA0002206439810000041
Figure BDA0002206439810000042
其中，
Figure BDA0002206439810000043
表示动态计算区域的动态速度，
Figure BDA0002206439810000044
Figure BDA0002206439810000045
Ωr表示静态计算区域，ur表示外流场的速度，pr表示外流场的压力，u0表示初始值，Γinlet表示外流场的流入界面，Γwall表示动态计算区域的外周界面。
在动静界面处存在以下条件：
us＝ur on Γinterface
σs·ns＝-σr·nr on Γinterface
其中，Γinterface表示动静界面，ns表示静态计算区域中沿着外流场流出方向的单位法线，nr表示动态计算区域中对着外流场流入方向的单位法线。
S102：将静态计算区域和动态计算区域进行离散化处理，得到动态网格和静态网格。
在定义计算区域，建立数学模型后，即需要对数学模型开始进行计算，为方便计算，对计算区域进行离散化，网格化，具体采用全隐式的有限元离散化；最终分别得到动态网格和静态网格。在动静界面处包括静态界面网格和动态界面网格。
S103：对静态界面网格和动态界面网格之间进行差值计算，以分别对静态计算区域的数学模型和动态计算区域的数学模型进行计算。
在步骤S101中给出了静态计算区域的数学模型和动态计算区域的数学模型的强形式，本实施例中，对数学模型进行改写，以弱形式描述外流场，具体如下：
Figure BDA0002206439810000046
其中，
Figure BDA0002206439810000047
Figure BDA0002206439810000048
和
Figure BDA0002206439810000049
分别表示静态计算区域和动态计算区域的速度空间，Ps和Pr分别表示静态计算区域和动态计算区域的压力空间。
其中，
Figure BDA0002206439810000051
Figure BDA0002206439810000052
Figure BDA0002206439810000053
Figure BDA0002206439810000057
在空间离散化的过程中，本实施例中静态界面网格和动态界面网格并不适配，如图3所示，图3是图1所示实施例中界面网格的示意图。
本实施例中对静态界面网格和动态界面网格进行插值处理，即采用其中一者进行插值计算以得到另一，具体来说，对一界面网格中的网格点进行加权求和以得到另一界面网格中的网格点，加权的权值取决于与另一界面网格中网格点的距离。
由于本实施例中，动态网格是周期性变化的，因而在插值计算时也是周期性的进行计算。且本实施例中采用的是4个网格点进行差值计算。具体通过以下数学表达式来描述。
Figure BDA0002206439810000054
Figure BDA0002206439810000055
和
Figure BDA0002206439810000056
分别为静态界面网格和动态界面网格中的网格点，m＝4为插值计算中所使用的网格点，ωi表示通过分析求解m维线性系统得到的每个点的插值权重，
Figure BDA0002206439810000061
表示multiquadric RBF基函数，∈表示一个与1/h成比例的参数，其中h是网格尺寸。本实施例中，h表示
Figure BDA0002206439810000062
中两相邻点之间的最大距离。
对于本实施例中所建立的上述数学模型，采用Newton-Krylov-Schwarz方法来计算。使用不精确Newton算法作为非线性求解器，Krylov子空间算法GMRES作为每个牛顿步骤的线性求解器，非标准的Schwarz算法作为加速线性求解收敛的预处理器。
本实施例中将风机的外流场分为动态计算区域和静态计算区域分别进行计算，以更准确的模拟实际外流场，以及风机对外流场的影响，继而可有效的优化风机，从而提高外流场的利用效率。
上述外流场模拟方法以硬件形式，具体通过处理器和存储器实现，如图4所示，图4是本申请风机的外流场模拟装置一实施例的结构示意图，本实施例外流场模拟装置100包括处理器11和存储器12，存储器12上存储有可在处理器11上运行的计算机程序，处理器11在执行计算机程序时，可实现上述外流场模拟方法。
上述外流场模拟方法以软件形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可存储在一个电子设备可读取存储介质中，即，本发明还提供一种计算机可读存储介质，请参阅图5，图5是本申请计算机可读存储介质一实施例的结构示意图，计算机可读存储介质200中存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。计算机可读存储介质可以为U盘、光盘、服务器等。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种风机的外流场模拟方法，所述风机包括机塔和转子，其特征在于，所述模拟方法包括：
定义静态计算区域和动态计算区域，所述静态计算区域包括机塔，所述动态计算区域包括转子；
将所述静态计算区域和所述动态计算区域进行离散化处理，得到静态网格和动态网格；其中，在所述静态计算区域和所述动态计算区域相连的动静界面处包括静态界面网格和动态界面网格；
对静态界面网格和动态界面网格之间进行插值计算，以分别对静态计算区域的数学模型和动态计算区域的数学模型进行计算；
其中，所述对静态界面网格和动态界面网格之间进行插值计算，包括：
所述静态界面网格中的网格点由所述动态界面网格中的网格点进行插值计算而获得；包括：所述静态界面网格中的网格点由所述动态界面网格中的网格点进行加权求和而获得，权值取决于与所述静态界面网格中的网格点的距离；
或者，所述动态界面网格中的网格点由所述静态界面网格中的网格点进行插值计算而获得，包括：所述动态界面网格中的网格点由所述静态界面网格中的网格点进行加权求和而获得，权值取决于与所述动态界面网格中的网格点的距离。
2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述静态界面网格中的网格点由所述动态界面网格中对应位置周围的网格点进行插值计算而获得，包括：
所述静态界面网格中的网格点由所述动态界面网格中靠近所述静态界面网格中的网格点的4个网格点进行插值计算而获得；
所述动态界面网格中的网格点由所述静态界面网格中的网格点进行插值计算而获得，包括：
所述动态界面网格中的网格点由所述静态界面网格中靠近所述动态界面网格中的网格点的4个网格点进行插值计算而获得。
3.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述动态网格的转动基于转子的转速发生变化；所述对静态界面网格和动态界面网格之间进行插值计算，以分别对静态计算区域的数学模型和动态计算区域的数学模型进行计算，包括：
周期性的对静态界面网格和动态界面网格之间进行插值计算，以分别对静态计算区域的数学模型和动态计算区域的数学模型进行计算。
4.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述静态计算区域的数学模型为：
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
Figure QLYQS_3
Figure QLYQS_4
Figure QLYQS_5
其中，
Figure QLYQS_6
，
Figure QLYQS_7
表示静态计算区域，
Figure QLYQS_8
表示所述外流场的速度，
Figure QLYQS_9
表示所述外流场的压力，
Figure QLYQS_10
表示所述静态计算区域中沿着所述外流场流出方向的单位法线，
Figure QLYQS_11
表示所述外流场的流出界面，
Figure QLYQS_12
表示所述静态计算区域的外周界面。
5.根据权利要求4所述的模拟方法，其特征在于，所述动态计算区域的数学模型为：
Figure QLYQS_13
Figure QLYQS_14
Figure QLYQS_15
Figure QLYQS_16
Figure QLYQS_17
其中，在所述动态计算区域建立坐标，Z与所述机塔平行，X与Z构成的平面与转子所在平面平行，Y垂直于所述X与Z构成的平面；
其中，
Figure QLYQS_19
，表示动态计算区域的转动速度，
Figure QLYQS_20
，
Figure QLYQS_21
表示动态计算区域，
Figure QLYQS_22
表示所述外流场的速度，
Figure QLYQS_23
表示所述外流场的压力，
Figure QLYQS_24
表示初始值，
Figure QLYQS_25
表示所述外流场的流入界面，
Figure QLYQS_18
表示所述动态计算区域的外周界面。
6.根据权利要求5所述的模拟方法，其特征在于，在所述动静界面处存在以下条件：
Figure QLYQS_26
Figure QLYQS_27
其中，
Figure QLYQS_28
表示所述动静界面，
Figure QLYQS_29
表示所述静态计算区域中沿着所述外流场流出方向的单位法线，
Figure QLYQS_30
表示所述动态计算区域中对着所述外流场流入方向的单位法线。
7.一种风机的外流场模拟装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。
CN201910882993.2A 2019-09-18 2019-09-18 风机的外流场模拟方法、装置及计算机可读存储介质 Active CN110826171B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910882993.2A CN110826171B (zh) 2019-09-18 2019-09-18 风机的外流场模拟方法、装置及计算机可读存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910882993.2A CN110826171B (zh) 2019-09-18 2019-09-18 风机的外流场模拟方法、装置及计算机可读存储介质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110826171A CN110826171A (zh) 2020-02-21
CN110826171B true CN110826171B (zh) 2023-04-18

Family

ID=69548032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910882993.2A Active CN110826171B (zh) 2019-09-18 2019-09-18 风机的外流场模拟方法、装置及计算机可读存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110826171B (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7933750B2 (en) * 2008-04-02 2011-04-26 Schlumberger Technology Corp Method for defining regions in reservoir simulation
CN103605912B (zh) * 2013-12-10 2016-06-08 武汉大学 一种风电场功率外特性建模方法
CN104572575B (zh) * 2015-01-27 2017-10-13 南京航空航天大学 一种特大变形动态网格生成方法
CN106980758B (zh) * 2017-03-17 2020-06-26 常州大学 一种注采井网流场速度的快速计算方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110826171A (zh) 2020-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hou et al. An efficient unstructured MUSCL scheme for solving the 2D shallow water equations
CN109086534B (zh) 一种基于cfd流体力学模型的风电场尾流订正方法及系统
Kersken et al. Time-linearized and time-accurate 3D RANS methods for aeroelastic analysis in turbomachinery
CN114662425B (zh) 一种水轮机启停工况流场仿真预测方法及系统
CN116245049B (zh) 节点式非结构网格的边界修正方法、装置、设备及介质
CN115329696B (zh) 基于非贴体网格的守恒型固壁边界数值模拟方法及设备
CN110717216A (zh) 不规则波下带柔性气囊直升机横摇响应预报方法
Dong et al. Predictive capability of actuator disk models for wakes of different wind turbine designs
CN112001109A (zh) 再生核粒子算法实现结构冲击动力学仿真方法
JP2018194497A (ja) 気象予測システム、気象予測方法、気象予測プログラム
CN117436322B (zh) 基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法和介质
Androsov et al. Tsunami modelling with unstructured grids. Interaction between tides and tsunami waves
CN117215206B (zh) 一种水电站厂房的振动控制方法、装置、设备及存储介质
CN110990963B (zh) 风机间距优化方法、装置以及计算机可读存储介质
CN110826171B (zh) 风机的外流场模拟方法、装置及计算机可读存储介质
CN117216910B (zh) 离心叶轮轮盘模型构建方法及装置、电子设备
Stipa et al. The multi-scale coupled model: a new framework capturing wind farm–atmosphere interaction and global blockage effects
CN104091003A (zh) 一种基础运动时柔性壳结构大变形响应的有限元建模方法
CN113239646A (zh) 一种基于等效粗糙度风电场建模方法、介质和设备
CN117454805A (zh) 基于流体降阶仿真的风机尾流影响计算方法和系统
JP2017072922A (ja) 軸流ファンの解析方法，解析装置及び解析プログラム
CN108445777A (zh) 虚拟资产的数据转换
CN115563898A (zh) 一种基于非贴体网格的固壁边界数值模拟方法及相关设备
CN116644682A (zh) 风电场噪声分析方法、设备及计算机可读存储介质
CN106021186B (zh) 一种高效求解大规模非线性随机结构系统状态的多尺度迭代方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant