CN113094882B - 一种风机自动对风的数值模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体力学相关技术领域，其公开了一种风机自动对风的数值模拟方法及系统，该数值模拟方法包括：风机的轴向为X方向，径向为Y方向；获取风机中心圆环的平均合风速以及偏转角；将计算域中风机转动偏转角，转动后轴向为X’方向，径向为Y’方向，根据平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力；将圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向和Z方向的体积力，而后将X’方向的体积力和Y’方向的体积力在X和Y方向进行分解和合成得到X方向和Y方向的体积力，将X方向、Y方向和Z方向的体积力添加至对应网格单元实现风机转动角度的更新。本申请可以实现模拟过程中风机的自动对风，更加符合真实情况，模拟精度高。
Description
技术领域
本发明属于流体力学相关技术领域，更具体地，涉及一种风机自动对风的数值模拟方法及系统。
背景技术
近年来关于风电场的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic，CFD)数值模拟中，基于叶素动量理论(Blade Element Momentum Method，BEM)提出的致动盘模型(Actuator-disk Model，ADM)计算得到的风机尾流速度分布能够很好和风洞试验吻合，验证了数值模拟的可靠性。致动盘模型中的方法是通过给指定网格单元添加体积力源项来代替风机叶片对来流风产生的轴向里和切向力，在数值模拟中与三维Navier-Stokes动量方程相结合，以此来获得风机周围流场信息。该方法避免了对风机直接建模而带来的叶片贴体网格划分难度大，对计算性能要求高等问题，并且能很好的捕捉尾流区的流场特性，非常适用于风机尾流流场的研究。
但是，该模型对风机(致动盘)前的来流风有一定的限制要求，来流风向要与致动盘垂直，并且致动盘体积力大小与来流风速大小相关。现有技术关于致动盘的研究中，几乎都是在指定条件下进行的，例如，指定来流风速的方法、给定风机初始的偏转角度等，一经设定来流风速和风机的初始偏转角度是不变的。而实际上来流风一般都是动态变化的，并且现实中的风机一般都具有偏航系统(对风装置)，当来流风速矢量方向变化时，该装置能够使风机快速平稳的对准风向，以便能够获得最大的风能，提高风机的发电效率，因此，亟需对现有的风机的研究方法进行进一步的优化以更好的模拟反应真实情况。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种风机自动对风的数值模拟方法及系统，通过计算偏航后的体积力将该体积力作用于风机的网格单元上实现风机的自动转动，更加符合真实风机运动过程，提高了数值模拟风场的精确度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种风机自动对风的数值模拟方法，所述数值模拟方法包括：S1：将风机沿径向划分成n个宽度为dr的圆环，设定风机的初始轴向为X方向，径向为Y方向，与XY平面垂直的方向为Z方向；S2：获取所述风机中心圆环所包含的网格单元的平均合风速以及所述平均合风速与X轴的夹角即偏转角；S3：将计算域中风机转动偏转角，重新提取各圆环所包含的网格单元，转动后风机的轴向为X’方向，风机的径向为Y’方向，根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力；S4：将所述圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力，而后将X’方向的体积力和Y’方向的体积力在X和Y方向进行分解和合成得到X方向和Y方向的体积力，将X方向、Y方向和Z方向的体积力添加至步骤S3中的网格单元实现风机的转动角度的更新。
优选地，步骤S3中根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力具体包括：S31：根据所述平均合风速获得圆环X’方向的轴向力和圆环切向的切向力；S32：获取风机的网格单元转动后圆环包含的网格单元，并计算圆环所包含的网格单元的总体积；S33：将所述X’方向的轴向力和圆环切向的切向力与总体积分别相除获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力。
优选地，步骤S31中采用如下公式计算获得圆环X’方向的轴向力dFn和圆环切向的切向力dFt：
其中，ρ为空气密度，N为所述风机的叶片数量，c为dr处对应的风机叶片弦长，Cn为轴向推力系数，Ct为切向阻力系数，均为已知参数；ω为平均合风速。
优选地，所述平均合风速的的获取方法为：提取风机的中心圆环所包含网格单元在X方向的平均风速和Y方向的平均风速，将所述X方向的平均风速和Y方向的平均风速进行合成获得所述平均合风速。
优选地，步骤S4中将所述圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力的具体包括：将所述圆环切向的体积力相对于风机圆心进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力，其中，所述Y’方向的体积力dfy′和Z方向的体积力dfz的表达式为：
dfy′＝dftcosβ
dfz＝dftsinβ
其中，dft为圆环切向的体积力，β为圆环所包含的网格单元的中心与圆环圆心的连线在Y’Z平面上与Y’轴之间的夹角。
优选地，步骤S4中X方向和Y方向的体积力的计算公式为：
dfx＝dfncosθ-dftcosβsinθ
dfy＝dfnsinθ+dftcosβcosθ
其中，dfx为X方向的体积力，dfn为圆环X’方向的体积力，θ为偏转角，dfy为Y方向的体积力。
优选地，步骤S1之前还包括：S0：获取风机所在位置的数字高程数据，将所述数字高程数据作用于计算域平坦地形下的CFD模型，获得所述风机复杂地形CFD模型中的实际三维坐标。
按照本发明的另一个方面，提供了一种风机自动对风的数值模拟系统，所述系统包括：划分模块：用于将风机沿径向划分成n个宽度为dr的圆环，设定风机的初始轴向为X方向，径向为Y方向，与XY平面垂直的方向为Z方向；获取模块：用于获取所述风机中心圆环所包含的网格单元的平均合风速以及所述平均合风速与X轴的夹角即偏转角；提取模块：用于将计算域中风机转动偏转角，重新提取各圆环所包含的网格单元，转动后风机的轴向为X’方向，风机的径向为Y’方向，根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力；分解和合成模块：用于将所述圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力，而后将X’方向的体积力和Y’方向的体积力在X和Y方向进行分解和合成得到X方向和Y方向的体积力，将X方向、Y方向和Z方向的体积力添加至提取模块中的网格单元实现风机转动角度的更新。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种风机自动对风的数值模拟方法及系统具有如下有益效果：
1.本申请通过提取风机网格单元的平均合风速并计算获得风机的偏转角，而后将计算域中的网格转动偏转角以获得使得风机要转动该偏转角所需的体积力，将该体积力作用与原始的风机网格单元实现风机的相对转动，可以实现风机模拟过程中风机的实时转动，能够更加真实准确的获取风机尾流区的流场分布特性，提高数值模拟风电场的精确度。
2.本申请将偏航后的体积力在未偏航之前的坐标轴方向进行分解获得要实现该偏转角所需的各方向的体积力，计算过程便捷方便。
3.本申请还可以加入风机真实地理位置的数字高程数据，可以对风机进行真实地理位置的模拟，模拟结果更加的精准。
4.本发明对于复杂地形因素所引起的复杂风速环境以及上游风机尾流对下游风机来流风速有干扰影响等情况，都具有普遍适用性。通过该方法不仅能更加准确的确定风机的尾流走向，更能通过尾流分布情况给实际风机位置布局提供参考，尽量避免风机间尾流影响导致的发电功率降低。
附图说明
图1是本实施例的风机自动对风的数值模拟方法的步骤图；
图2是本实施例的Y’Z平面风机圆盘划分的圆环及其中一个网格单元的受力示意图；
图3是本实施例XY平面风机的风轮圆盘根据来流风向的偏航示意图；
图4是本实施例风机的网格单元偏航后其中一个网格单元的受力示意图；
图5是本实施例的中XY平面两台风机初始的位置布置；
图6是本实施例中XY截面上风机网格单元偏航后期X方向体积力分布云图；
图7是本实施例中XY截面上两台风机数值模拟所得的尾流流场速度分布云图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种风机自动对风的数值模拟方法，所述数值模拟方法包括以下步骤S1～S4。
S1：将风机沿径向划分成n个宽度为dr的圆环，设定风机的初始轴向为X方向，径向为Y方向，与XY平面垂直的方向为Z方向。
本实施例中优选基于BEM理论将风机的圆盘沿径向离散成n段，宽度为dr的圆环，如图2所示，且假设各圆环径向性质相互独立，每个环形单元内，风机的叶片作用在气流上的力是定常的，还可以引入普朗特叶尖损失因子加以修正。
本步骤S1之前还可以包括以下步骤：
S0：获取风机所在位置的数字高程数据，将所述数字高程数据作用于计算域平坦地形下的CFD模型，获得所述风机在复杂地形CFD模型中的实际三维坐标。
首先确定需要研究的地形区域的中心经纬度坐标，以该中心为原点选定合适的三维计算域大小，经由网格划分程序处理后的平坦地形下的三维计算域CFD模型。
然后获取计算域中心附近的数字高程数据(Digital Elevation Model，DEM)，可以通过自编程序将这些较为离散的高程数据点做插值处理后作用于平坦地形下的三维计算域CFD模型，获得复杂地形下的计算域CFD模型。
风机的风轮圆盘在计算域中的位置由风机轮毂中心的三维坐标决定，其x坐标和y坐标已知，实际z坐标通过该位置对应的地形高度加上风机的轮毂高度来具体确定。
S2：获取所述风机中心圆环所包含的网格单元的平均合风速以及所述平均合风速与X轴的夹角即偏转角。
对计算域划分网格然后输入CFD模型进行数值计算，提取风机的中心圆环所述包含的网格单元在X方向的平均风速和Y方向的平均风速，然后将该X方向的平均风速和Y方向的平均风速进行合成获得该平均合风速。
本步骤之前优选将风机的初始偏转角设置为零，此时其风轮平面与X轴相垂直，并规定偏转角以逆时针为证。
S3：将计算域中风机转动偏转角，重新提取各圆环所包含的网格单元，，转动后风机轴向为X’方向，风机径向为Y’方向，根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力。
本实施例中Z轴保持不变，但实际应用中不对其进行限制，可以根据实际情况进行转动。如图3所示，转动后风机的轴向为X’方向，风机的径向为Y’方向，转动后风机包含的网格单元在X’Y’Z坐标下对应的坐标为：
x′＝xcosθ+ysinθ
y′＝xsinθ+ycosθ
其中，x为风机包含网格单元在XYZ坐标中X坐标轴上的坐标，y为风机包含网格单元在XYZ坐标中Y坐标轴上的坐标，θ为偏转角。
然后采用以下步骤S31～S33进行计算。
S31：根据所述平均合风速获得圆环X’方向的轴向力和圆环切向的切向力；
采用如下公式计算获得圆环X’方向的轴向力dFn和圆环切向的切向力dFt：
其中，ρ为空气密度，N为所述风机的叶片数量，c为dr处对应的风机叶片弦长，Cn为轴向推力系数，Ct为切向阻力系数，均为已知参数；ω为平均合风速。
S32：获取风机的网格单元转动后圆环包含的网格单元，并计算圆环所包含的网格单元的总体积。
S33：将所述X’方向的轴向力和圆环切向的切向力与总体积分别相除获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力。
值得注意的是此时圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力是相对于风机的风轮圆盘而言的，圆环切向的体积力在Y’Z平面上与各圆环相切，因此需要采用如下步骤S4中的方法对其进行分解。
S4：将所述圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力，而后将X’方向的体积力和Y’方向的体积力在X和Y方向进行分解和合成得到X方向和Y方向的体积力，将X方向、Y方向和Z方向的体积力添加至步骤S3中的网格单元实现风机转动角度的更新。
将所述圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力的具体包括：
将所述圆环切向的体积力相对于风机圆心进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力，其中，如图4所示，所述Y’方向的体积力dfy′和Z方向的体积力dfz的表达式为：
dfy′＝dftcosβ
dfz＝dftsinβ
其中，dft为圆环切向的体积力，β为圆环所包含的网格单元的中心与圆环圆心的连线在Y’Z平面上与Y’轴之间的夹角。
而后将X’方向的体积力和Y’方向的体积力在X和Y方向进行分解和合成得到X方向和Y方向的体积力，X方向和Y方向的体积力的计算公式为：
dfx＝dfncosθ-dftcosβsinθ
dfy＝dfnsinθ+dftcosβcosθ
其中，dfx为X方向的体积力，dfn为圆环X’方向的体积力，θ为偏转角，dfy为Y方向的体积力。
实施例
本实施例中采用两台风机对该方法进行验证，风机的翼型参数(风机圆盘划分成圆环后每个圆环dr处对应的风机的叶片弦长和浆距角)以及叶片气动特性(风机的叶片针对不同攻角对应的升力系数和阻力系数)已知，两台风机在XYZ坐标系中的位置如图5所示。
本实施例中选定计算域的中心所在的地理位置为计算域原点，取正方体计算域，使用网格划分程序，设定好网格参数后进行网格划分；
然后获取风机安装的实际位置的地形数字高程数据，使用自编程序结合已划分好的计算域网格建立复杂地形下CFD模型。
对风机圆盘沿径向进行划分为n个圆环，本实施例中取n＝8，如图2所示。
初始时刻设定计算域的入口风速为10m/s，风向角α为30°，计算开始后，每一步迭代都提取并计算各风机轮毂中心圆环所包含网格单元X方向和Y方向的平均风速，从而得到来流风的偏转角为θ，根据X方向和Y方向的平均风速计算平均合风速，将计算域中风机转动偏转角，重新提取各圆环所包含的网格单元，转动后风机的轴向为X’方向，风机的径向为Y’方向，根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力dfn和圆环切向的体积力dft。
如图2所示，圆环切向的体积力dft作用到具体网格单元上，根据其相对于风机轮毂中心的位置关系分解为Y’方向的体积力dftcosβ和Z方向的体积力dftsinβ，其中，dftsinβ可直接作为对应网格单元Z方向上的阻力项，而Y’方向上的体积力dftcosβ和X’方向的体积力dfn需要进一步转化为X方向的体积力dfx和Y方向上的体积力dfy，从而圆环所包含的网格单元XYZ方向的体积力(阻力项)均得以确定，其余网格单元阻力项均为零。CFD计算迭代的过程中，阻力项的位置、大小和方向均随风速的分布的变化而变化，最终实现计算过程和风机自动对风偏航的耦合，达到模拟现实中风机动态偏航的效果，如图6所示，两台风机的偏转角分别为13.46°和-3.42°，其尾流区流场的速度分布如图7所示。
本申请另一方面提供了一种风机自动对风的数值模拟系统，所述系统包括：
划分模块：用于将风机沿径向划分成n个宽度为dr的圆环，设定风机的初始轴向为X方向，径向为Y方向，与XY平面垂直的方向为Z方向，例如可以执行图1中的步骤S1；
获取模块：用于获取所述风机中心圆环所包含的网格单元的平均合风速以及所述平均合风速与X轴的夹角即偏转角，例如可以执行图1中的步骤S2；
提取模块：用于将计算域中风机转动偏转角，重新提取各圆环所包含的网格单元，转动后风机的轴向为X’方向，风机的径向为Y’方向，根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力，例如可以执行图1中的步骤S3；
分解和合成模块：用于将所述圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力，而后将X’方向的体积力和Y’方向的体积力在X和Y方向进行分解和合成得到X方向和Y方向的体积力，将X方向、Y方向和Z方向的体积力添加至提取模块中的网格单元实现风机转动角度的更新，例如可以执行图1中的步骤S4。
综上所述，本申请通过提取风机中心圆环处的平均合风速并计算获得偏转角，将平均合风速进行分解和合成获得多个方向的体积力也即阻力项，将该阻力项作用于对应的网格单元实现风机的转动，因此可以实时对风机圆盘加以偏航对风控制，在数值模拟的过程中充分考虑现实中风机的偏航功能，能够更加真实准确获取风机尾流区的流场分布特性，提高数值模拟风机风场的精确度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种风机自动对风的数值模拟方法，其特征在于，所述数值模拟方法包括：
S1：将风机沿径向划分成n个宽度为dr的圆环，设定风机的初始轴向为X方向，径向为Y方向，与XY平面垂直的方向为Z方向；
S2：获取所述风机中心圆环所包含的网格单元的平均合风速以及所述平均合风速与X轴的夹角即偏转角；
S3：将计算域中风机转动所述偏转角，重新提取各圆环所包含的网格单元，转动后风机的轴向为X’方向，风机的径向为Y’方向，根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力；
根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力具体包括：
S31：根据所述平均合风速获得圆环X’方向的轴向力和圆环切向的切向力；采用如下公式计算获得圆环X’方向的轴向力dFn和圆环切向的切向力dFt：
其中，ρ为空气密度，N为所述风机的叶片数量，c为dr处对应的风机叶片弦长，Cn为轴向推力系数，Ct为切向阻力系数，均为已知参数；ω为平均合风速；
S32：获取风机的网格单元转动后圆环包含的网格单元，并计算圆环所包含的网格单元的总体积；
S33：将所述X’方向的轴向力和圆环切向的切向力与总体积分别相除获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力；
S4：将所述圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力，而后将X’方向的体积力和Y’方向的体积力在X和Y方向进行分解和合成得到X方向和Y方向的体积力，将X方向、Y方向和Z方向的体积力添加至步骤S3中的网格单元实现风机转动角度的更新。
2.根据权利要求1所述的数值模拟方法，其特征在于，所述平均合风速的的获取方法为：
提取风机的中心圆环所包含网格单元在X方向的平均风速和Y方向的平均风速，将所述X方向的平均风速和Y方向的平均风速进行合成获得所述平均合风速。
3.根据权利要求1所述的数值模拟方法，其特征在于，步骤S4中将所述圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力的具体包括：
将所述圆环切向的体积力相对于风机圆心进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力，其中，所述Y’方向的体积力dfy'和Z方向的体积力dfz的表达式为：
dfy'＝dftcosβ
dfz＝dftsinβ
其中，dft为圆环切向的体积力，β为圆环所包含的网格单元的中心与圆环圆心的连线在Y’Z平面上与Y’轴之间的夹角。
4.根据权利要求3所述的数值模拟方法，其特征在于，步骤S4中X方向和Y方向的体积力的计算公式为：
dfx＝dfncosθ-dftcosβsinθ
dfy＝dfnsinθ+dftcosβcosθ
其中，dfx为X方向的体积力，dfn为圆环X’方向的体积力，θ为偏转角，dfy为Y方向的体积力。
5.根据权利要求1所述的数值模拟方法，其特征在于，步骤S1之前还包括：
S0：获取风机所在位置的数字高程数据，将所述数字高程数据作用于计算域平坦地形下的CFD模型，获得所述风机在复杂地形CFD模型中的实际三维坐标。
6.一种风机自动对风的数值模拟系统，其特征在于，所述系统包括：
划分模块：用于将风机沿径向划分成n个宽度为dr的圆环，设定风机的初始轴向为X方向，径向为Y方向，与XY平面垂直的方向为Z方向；
获取模块：用于获取所述风机中心圆环所包含的网格单元的平均合风速以及所述平均合风速与X轴的夹角即偏转角；
提取模块：用于将计算域中风机转动偏转角，重新提取各圆环所包含的网格单元，转动后风机的轴向为X’方向，风机的径向为Y’方向，根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力；
根据所述平均合风速获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力具体包括：
S31：根据所述平均合风速获得圆环X’方向的轴向力和圆环切向的切向力；采用如下公式计算获得圆环X’方向的轴向力dFn和圆环切向的切向力dFt：
其中，ρ为空气密度，N为所述风机的叶片数量，c为dr处对应的风机叶片弦长，Cn为轴向推力系数，Ct为切向阻力系数，均为已知参数；ω为平均合风速；
S32：获取风机的网格单元转动后圆环包含的网格单元，并计算圆环所包含的网格单元的总体积；
S33：将所述X’方向的轴向力和圆环切向的切向力与总体积分别相除获得圆环X’方向的体积力和圆环切向的体积力；
分解和合成模块：用于将所述圆环切向的体积力在Y’方向和Z方向进行分解得到Y’方向的体积力和Z方向的体积力，而后将X’方向的体积力和Y’方向的体积力在X和Y方向进行分解和合成得到X方向和Y方向的体积力，将X方向、Y方向和Z方向的体积力添加至提取模块中的网格单元实现风机转动角度的更新。
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