CN114417744A - 一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，步骤一：建立用来计算的计算区域的几何形状文件；步骤二：对旋转区域和非旋转区域进行分割，并建立几何形状文件；步骤三：对整个计算区域进行网格生成，步骤四：建立流体控制方程和边界条件；步骤五：在求解步骤四的控制方程时需要引入对应的湍流模型方程；步骤六：在采用有限体积法对原模型离散后进行插值；步骤七：对求解区域进行分解；步骤八：对每个核上的矩阵采用对应矩阵求解方法求解。本发明与现有技术相比的优点在于：保证了多旋翼垂直轴风能发电机周围流场计算准确性，可以清晰展现转子周围涡流分布，在超过1000核以上仍有较高的并行效率，大幅缩短了计算时间。

Description

一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法
技术领域
本发明涉及垂直风能发电机技术领域，具体是指一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法。
背景技术
多旋翼垂直风能发电机在实际运行过程中，由于转子之间相互影响，在转子周围涡流较为复杂，其较水平轴风能发电机转子旋转速度更快，数值求解过程中对于旋转区域离散和求解精度要求更高。多旋翼垂直风能发电机在进行数值计算过程中主要存在两个问题：计算涡流的准确性和旋转区域的计算处理。
在CFD求解过程中，根据时间项主要分为瞬态计算和稳态计算，瞬态计算可以更清晰展示计算过程中流场的变化，但其计算量一般较大，稳态计算则主要得到流场稳定时的结果，其计算量较小，但不能观察到整个流场的变化过程。
对于现有的技术中，对于旋转部分主要存在三种处理技术，固定转子技术(FrozenRotorTechnique)，动网格技术(dynamic mesh)和混合平面方法(Mixing planeApporach)。固定转子技术和混合平面技术代表方法为多重参考系方法(Moving reference简称MRF)，该方法在计算过程中旋转体并不发生实际运动，通过设定多个参考系的方法实现计算，该方法主要用于稳态计算，该方法计算成本较低，但其计算精度也较低。动网格技术在计算中网格发生实际的旋转，其主要用于瞬态计算，相比另外两种方法具有更高的准确度，并可以精确展示旋转过程中的流场变化趋势，但是其计算时间约为稳态计算时间的30倍。
目前对于多旋翼垂直风能发动机的研究主要以提高计算的准确性为主，但是随着计算区域的增大，计算网格量出现大幅提高，需要求解问题的规模也越来越大，在采用动网格技术保证计算准确性的情况下，计算速度成为一个很大的门槛，导致数值分析结果要么准确性不足，要么计算时间过长的问题，数值计算不能很好的用在辅助实际风能发动机的设计中，计算成本过大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，保证了多旋翼垂直轴风能发电机周围流场计算准确性，可以清晰展现转子周围涡流分布，在超过1000核以上仍有较高的并行效率，大幅缩短了计算时间。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤一：建立用来计算的计算区域的几何形状文件；
步骤二：对旋转区域和非旋转区域进行分割，并建立包裹整个旋转区域的几何形状文件；
步骤三：对整个计算区域进行网格生成，网格生成中分为旋转区域和非旋转区域两部分；
步骤四：建立流体控制方程和边界条件；
步骤五：在求解步骤四的控制方程时需要引入对应的湍流模型方程；
步骤六：在采用有限体积法对原模型离散后，需要对旋转区域和非旋转区域在步骤二中几何形状文件的网格上进行插值，插值方式采用任意网格界面法；
步骤七：对求解区域进行分解，对应离散后的矩阵离散到不同的核数上；
步骤八：对每个核上的矩阵采用对应矩阵求解方法对离散后的线性矩阵进行求解。
优选的，步骤一中几何形状文件包括垂直轴风能发动机的几何文件，单个风能发电机的流场可能影响的整个区域几何文件，风流入的入口和出口的几何文件。
优选的，步骤二中对于绕轴旋转的转子，其分割界面应该为圆柱型状。
优选的，步骤三中整个计算区域对其划分为结构化六面体网格，旋转区域网格和非旋转区域网格由步骤二中的圆柱型面分割开，并对应形成面网格。
优选的，步骤四中控制方程为不可压缩牛顿流体，其应该满足不可压缩流体纳维-斯托克斯方程。
优选的，步骤五中采用大涡模拟滤波器进行滤波处理，并引入斯帕拉特·阿尔马拉斯湍流模型进行计算，并采用涡流延迟分离的方法。
优选的，步骤六中对分割旋转区域和非旋转区域的面上设置从动面和主动面，主动面保持旋转速度，从动面则是保持静止，根据从动面和主动面网格分别在网格区域内的面积占比进行插值。
优选的，步骤七中求解区域分解时采用按计算量和网格量的分解方法。
优选的，步骤八中对于每个矩阵采用多重网格法的方法对流场进行求解。
本发明与现有技术相比的优点在于：1、本发明采用了圆柱型面将旋转区域和非旋转区域进行了分割，对于旋转区域采用计算的实际的旋转，提高了计算准确度；
2、求解基于大涡模拟的N-S方程进行计算，引入S-A的湍流模型并采用延迟分离的方法降低了涡流分布的误差，得到高分辨率的计算结果；
3、对计算网格根据计算量和网格量进行不同核的矩阵分发，得到较高的并行效率。
附图说明
图1是本发明一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法的整体流程图。
图2是本发明一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法的具体措施步骤一中的计算区域形状文件示例图。
图3是本发明一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法的分割旋转区域和非旋转区域界面示例图。
图4是本发明一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法的计算网格分布示例图。
图5是本发明一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法的计算结果示例图。
图6是本发明一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法的数值计算中计算案例涡流分布图。
图7是本发明一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法的数值计算案例的流线分布图。
图8是本发明一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法的数值计算案例的并行效率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参考图1：一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤一：建立整个求解系统的几何描述文件：在建立过程中需要建立整个计算区域范围的几何形状文件，主要包括：垂直轴风能发动机的几何文件，单个风能发电机的流场可能影响的整个区域几何文件，风流入的入口和出口的几何文件，见图2。
步骤二：对旋转区域和非旋转区域进行分割，并建立包裹整个旋转区域的几何形状文件：在该过程中需要建立整个旋转区域的整个区域范围几何形状文件，对于绕轴旋转的转子，其分割界面应该为圆柱形状见图3。
步骤三：对旋转区域和非旋转区域进行分割，并建立包裹整个旋转区域的几何形状文件：整个计算区域对其划分为结构化六面体网格，旋转区域网格和非旋转区域网格由步骤二中的圆柱型面分割开，并对应形成面网格见图4。
步骤四：建立流体控制方程和边界条件：整个计算控制方程为不可压缩牛顿流体，其应该满足不可压缩流体纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations后面简称N-S方程)
纳维-斯托克斯方程:
Figure BDA0003408069430000031
式中：v指速度场，p指流体压力，
Figure BDA0003408069430000032
为运动粘度，μ为动力粘度，ρ为流体密度
边界条件则是对于入口采用：
Figure BDA0003408069430000041
式中：Uinlet为入口速度，p为压力
对于出口采用：
Figure BDA0003408069430000042
式中：Uoutlet为出口速度，p为压力
步骤五：对于步骤四的控制方程引入对应的湍流模型方程
为了使步骤四中的N-S方程可以更好求解，采用大涡模拟(Large EddySimulation后面简称LES)滤波器进行滤波处理，得到滤波后的方程为：
Figure BDA0003408069430000043
式中：
Figure BDA0003408069430000044
为滤波后的速度场，
Figure BDA0003408069430000045
为滤波后的压力场，v0为运动粘度，
Figure BDA0003408069430000046
为滤波应变率张量，
对上述滤波后的方程引入斯帕拉特·阿尔马拉斯(Spalart-Allmaras后面简称S-A)湍流模型进行计算。
Figure BDA0003408069430000047
长度尺度
Figure BDA0003408069430000048
在湍流模型中需要满足：
Figure BDA0003408069430000049
Δ＝max(Δx，Δy，Δz)
式中：dw指到墙体的距离
为了克服S-A模型中存在的网格诱导分离问题，采用涡流延迟分离的方法，在该方法中修改了长度尺度
Figure BDA00034080694300000410
对长度尺度采用一个函数表示，
Figure BDA00034080694300000411
式中：fd为屏蔽函数，在边界层的取值为0，在边界层边缘处为1，通过fd可以清楚的分辨计算单元是否在边界层内部，fd定义为：
Figure BDA0003408069430000051
其中κ＝0.41为冯·卡门(Von Karman)常数。
步骤六：在采用有限体积法对原模型离散后，需要对旋转区域和非旋转区域在步骤二中几何形状文件的网格上进行插值，插值方式采用任意网格界面法(arbitrary meshinterface简称AMI)：对分割旋转区域和非旋转区域的面上设置从动面和主动面，主动面保持旋转速度，从动面则是保持静止，根据从动面和主动面网格分别在网格区域内的面积占比进行插值，该插值方式很好的保证了旋转区域和非旋转区域的值的连续性，使得整个计算可以收敛，同时保证了动网格计算的精准性。
步骤七：对求解区域进行分解，对应离散后的矩阵离散到不同的核数上，合适的分解方法极大的提高了并行效率：在对整体计算区域分解时采用按计算量和网格量的分解方法，对于旋转区域内部网格量较大，由于插值的存在，整体计算量也高于非旋转区域，旋转区域分解核心数占比较多，非旋转区域分解的所占核数较少。
步骤八：对每个核上的矩阵采用对应矩阵求解方法对离散后的线性矩阵进行求解：对于每个矩阵采用多重网格法的方法对流场进行求解，在达到预定的收敛条件后，随着计算时间增加，整体计算流场逐渐稳定，主要求解的参数包括速度场和压力场，最终可以得到具体的某一计算区域某一时刻的流场变化，流线变化的流场图，见图5。
本发明已得到完整的实验测试，完成了一种小型的双转子的三旋翼的垂直轴风能发电机的数值计算。
部分实验结果总结：
该垂直轴风能发电机的转子中间小型涡流表现较好见图6。
该垂直风能发动机计算流线分布均匀清晰，整体计算分辨率较高见图7。
本次计算在超级计算机“天河二号”上测试并行效率表现极佳见图8。
本发明在具体实施时，1、本发明基于大涡模拟的N-S方程，在整体计算中对计算结果涡流表现较为准确，仿真结果可靠性高，对涡流细节展示全面，整体计算结果分辨率较高。
2、本发明对旋转区域采用了动网格的方式，整体计算采用瞬态计算的方法，可以清晰展现流场各个阶段的发展情况，计算更为精确，对动网格采用任意网格界面法进行插值，该计算方法保证了旋转区域和非旋转区域结果的连续性，保证了计算旋转区域范围的准确性。
3、本发明提出的整套计算方法可以在超级计算机“天河二号”上具有很好的并行可扩展性，在总核心数达到1000核时仍有超过50％的并行效率,其并行效率极高。
4、相比现在的对于旋转流体的仿真方法，本发明可以实现对多旋翼的形状复杂的垂直风能发电机完成高分辨率的大规模的并行数值计算。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：建立用来计算的计算区域的几何形状文件；
步骤二：对旋转区域和非旋转区域进行分割，并建立包裹整个旋转区域的几何形状文件；
步骤三：对整个计算区域进行网格生成，网格生成中分为旋转区域和非旋转区域两部分；
步骤四：建立流体控制方程和边界条件；
步骤五：在求解步骤四的控制方程时需要引入对应的湍流模型方程；
步骤六：在采用有限体积法对原模型离散后，需要对旋转区域和非旋转区域在步骤二中几何形状文件的网格上进行插值，插值方式采用任意网格界面法；
步骤七：对求解区域进行分解，对应离散后的矩阵离散到不同的核数上；
步骤八：对每个核上的矩阵采用对应矩阵求解方法对离散后的线性矩阵进行求解。
2.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，其特征在于：步骤一中几何形状文件包括垂直轴风能发动机的几何文件，单个风能发电机的流场可能影响的整个区域几何文件，风流入的入口和出口的几何文件。
3.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，其特征在于：步骤二中对于绕轴旋转的转子，其分割界面应该为圆柱型状。
4.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，其特征在于：步骤三中整个计算区域对其划分为结构化六面体网格，旋转区域网格和非旋转区域网格由步骤二中的圆柱型面分割开，并对应形成面网格。
5.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，其特征在于：步骤四中控制方程为不可压缩牛顿流体，其应该满足不可压缩流体纳维-斯托克斯方程。
6.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，其特征在于：步骤五中采用大涡模拟滤波器进行滤波处理，并引入斯帕拉特·阿尔马拉斯湍流模型进行计算，并采用涡流延迟分离的方法。
7.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，其特征在于：步骤六中对分割旋转区域和非旋转区域的面上设置从动面和主动面，主动面保持旋转速度，从动面则是保持静止，根据从动面和主动面网格分别在网格区域内的面积占比进行插值。
8.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，其特征在于：步骤七中求解区域分解时采用按计算量和网格量的分解方法。
9.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法，其特征在于：步骤八中对于每个矩阵采用多重网格法的方法对流场进行求解。
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