CN111222233A - 一种基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风力发电实验技术领域，尤其涉及一种基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法，包括：步骤1，基于海上平台晃动的幅值和频率来构建海上平台运动模型；步骤2，对海上风电机组建模并划分多域结构滑移网格，利用CFD软件中的湍流模型进行计算；步骤3，通过对海上平台不同的振幅、频率进行组合后获得的计算结果进行拟合，得到一定角运动下的气动载荷的变化规律。本发明极大地缩减海上风电机组存在多体相对运动的计算过程的动态数值模拟，精度较高，同时计算过程不需要涉及网格的变形和重构，结构网格质量较好，收敛性较好，鲁棒性较强。
Description
技术领域
本发明属于风力发电实验技术领域，尤其涉及一种基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法。
背景技术
能源短缺和能源转型促进了可再生能源快速发展。风电作为当前最具规模化利用的清洁可再生能源发电方式，具有良好的发展前景和研究价值。随着风电机组的大型化，塔架和叶片的长度逐渐增加，风电机组在运行过程中，存在不同部件绕多个旋转轴同时旋转的运动。如图1所示，在偏航动态过程中，风轮存在旋转运动，同时风轮的旋转平面绕偏航轴进行旋转。展向截面翼型攻角会不断变化，导致风电机组总体性能也发生动态变化，呈现为复杂的三维非定常特性。又如海上风电机组存在平台的运动。此时，风轮除了旋转、偏航，还随平台一起运动，其气动特性变化更为复杂。常规的基于动量叶素的模拟方法、涡方法无法精确的模拟风电机组的三维流动细节，基于CFD/CSD和CFD/MBD耦合的动网格模拟方法计算量较大，且较容易发散。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法，包括：
步骤1，基于海上平台晃动的幅值和频率来构建海上平台运动模型；
步骤2，对海上风电机组建模并划分多域结构滑移网格，利用CFD软件中的湍流模型进行计算；
步骤3，通过对海上平台不同的振幅、频率进行组合后获得的计算结果进行拟合，得到一定角运动下的气动载荷的变化规律。
所述海上平台运动模型为正弦运动模型。
所述划分多域结构滑移网格包括：远场域、平台角运动域、风轮旋转域。
所述步骤2包括：设置一定的速度入口边界条件及压力出口，设置风轮旋转域相对平台角运动相对运动，编写相应的udf描述具体的运动模型，采用带转捩的SST湍流模型进行计算。
所述步骤2包括：在未施加平台运动的前提下，对存在风轮旋转域的流场进行非定常初始计算，在此初场的基础上，再进行带平台运动的动态数值计算，得到的考虑复杂角运动的结果。
所述变化规律为不同规律下的动态载荷特性和三维流场结构的变化规律。
本发明的有益效果在于：
(1)极大地缩减海上风电机组存在多体相对运动的计算过程的动态数值模拟，精度较高，同时计算过程不需要涉及网格的变形和重构，结构网格质量较好，收敛性较好，鲁棒性较强。
(2)提出一种基于角运动的海上风电机组模拟方法，为海上风电机组存在复杂角运动耦合作用下的气动载荷和流场细节的研究提供了更大的技术指导，这也是本发明的创新所在。
(3)如图2所示，本发明中角运动基于刚性的假设，即不考虑气弹，同时也不考虑海上风电机组的平动特性，只把角运动简化为一个方向和一定的角速度。风电机组绕旋转轴的旋转运动可以等效于角运动一；风电机组绕平台纵摇轴的前后晃动的纵摇轴等效为角运动二。在该多轴角运动的定义下，陆上风电机组的气弹变形在一定程度上也可以等效为一定的角运动形式。然后，通过建立多域相对转动的计算域，使得流动在不同的转动域中相对运动，从而得到多个角运动耦合的流场动态特性。
(4)本发明具备稳定、精准的特点，可精确模拟风电机组在多轴耦合复杂运动下的流场特征。分析和认识风轮在这些动态运动过程中的气动载荷变化规律，对提高机组的设计水平，优化风电机组的控制策略，具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明对某海上风电机组存在的平台运动的示意图
图2是本发明对海上风电机组存在的等效角运动的草图
图3是本发明实施方案中的多域旋转计算域计算方案
图4是本发明实施方案中的经典平台正弦运动规律的示意图
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。
本发明提供一种基于角运动的海上风电机组平台运动的模拟方法，建立一套可行的CFD数值模拟方法，具体方法如下：
第一步，确定要研究的平台运动的规律。
由于海上平台运动包含的种类繁多，不能一一枚举，本发明仅以平台正弦运动规律为例，说明方法的适用性，其他种类的复杂地形方法类似。
典型海上平台运动正弦运动规律为：
式中，A表示平台晃动角的幅值，f表示平台晃动的频率。本发明选取A＝1°、4°,H＝0.1Hz，如附图4所示。
第二步，对复杂海上风电机组建模，划分多域结构网格，利用CFD软件中的湍流模型进行数值模拟，设置风轮旋转域相对平台运动域转动。
利用ICEM建模多个计算区域，分别为远场域、平台角运动域、风轮旋转域，如附图3所示。并用前处理软件生成计算域网格，设置一定的速度入口边界条件(11.4m/s额定风速下)以及压力出口等。设置风轮旋转域相对平台角运动相对运动，并按照第一步的运动规律，编写相应的udf描述具体的运动规律，采用带转捩的SST湍流模型进行计算。为了进一步使得计算的鲁棒性较好，可以在未施加平台运动的前提下，对存在风轮旋转域的流场进行非定常初始计算，在此初场的基础上，再进行带平台运动的动态数值计算，得到的考虑复杂角运动的结果过程会更加稳定。
第三步，根据不同规律计算结果的对比分析，研究不同规律下的动态载荷特性和三维流场结构的变化，并拓展不同的规律拟合得到一定角运动下的气动载荷的变化规律。
将第一步中获得的实际海上风电场的平台运动规律，将第二步中获得数值设置方案，通过不同的振幅、频率的组合方案，通过带转捩的SST湍流模型计算，得到不同运动规律下的动态气动载荷和三维结构变化规律。
实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法，其特征在于，包括：
步骤1，基于海上平台晃动的幅值和频率来构建海上平台运动模型；
步骤2，对海上风电机组建模并划分多域结构滑移网格，利用CFD软件中的湍流模型进行计算；
步骤3，通过对海上平台不同的振幅、频率进行组合后获得的计算结果进行拟合，得到一定角运动下的气动载荷的变化规律。
2.根据权利要求1所述基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法，其特征在于，所述海上平台运动模型为正弦运动模型。
3.根据权利要求1所述基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法，其特征在于，所述划分多域结构滑移网格包括：远场域、平台角运动域、风轮旋转域。
4.根据权利要求1所述基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法，其特征在于，所述步骤2包括：设置一定的速度入口边界条件及压力出口，设置风轮旋转域相对平台角运动相对运动，编写相应的udf描述具体的运动模型，采用带转捩的SST湍流模型进行计算。
5.根据权利要求1所述基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法，其特征在于，所述步骤2包括：在未施加平台运动的前提下，对存在风轮旋转域的流场进行非定常初始计算，在此初场的基础上，再进行带平台运动的动态数值计算，得到的考虑复杂角运动的结果。
6.根据权利要求1所述基于角运动海上风电机组平台运动模拟方法，其特征在于，所述变化规律为不同规律下的动态载荷特性和三维流场结构的变化规律。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR101207199B1 (ko) * | 2012-06-11 | 2012-12-03 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 캠구조를 사용한 모형실험용 해상풍력기초 반복 수평재하 장치 |
| US20160084234A1 (en) * | 2014-09-19 | 2016-03-24 | Laborelec Cvba | Measurement processing system for condition monitoring of a wind turbine |
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| CN114021317A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-02-08 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种基于柔性运动海上风电机组平台摇荡数值模拟方法 |
| CN114021317B (zh) * | 2021-10-25 | 2022-12-09 | 华能新能源股份有限公司 | 一种基于柔性运动海上风电机组平台摇荡数值模拟方法 |
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