CN117436322A - 基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法和介质，属于风力机叶片技术领域。现有技术中的风力机气动分析计算方法，缺乏对复杂流场的准确描述，影响了气动弹性仿真的准确计算。本发明的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，通过构建流动耦合模型、气动弹性形变计算模型、弹性响应仿真模型，进行流动计算，得到能反映流场多样性的叶素流动速度，从而可以对复杂的流场，进行准确描述，同时可以准确获取叶片及周边流场的特征，然后进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量；再基于叶素瞬态响应位移量，确定叶片气动弹性响应，从而可以实现风力机叶片的准确气动弹性仿真，并且计算精度高，利于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法和介质，属于风力机叶片技术领域。
背景技术
风能是一种重要的可再生能源，随着风电技术的飞速发展，当前对风能的开发逐渐从陆地往深海发展，海上风力机单机容量也逐渐升高，对应的额定功率也越来越大，从而使得风力机叶轮大型化也成为了一种趋势。然而，叶轮尺寸的增加，导致了叶片等关键部件承受的载荷大幅增加；而为了降低整体重量并降低生产成本，叶片又往往采用刚度和杨氏模量较低的复合材料，使得叶片处存在强烈的气动弹性耦合现象。因此，叶片气动弹性仿真的准确性成为海上风力发电机组设计技术追求的重要目标。
进一步，中国文献（赵峰，段巍.基于叶素-动量理论及有限元方法的风力机叶片载荷分析和强度计算[J].机械设计与制造.2010,(8):42-44）公开了一种使用叶素-动量理论进行风力机叶片载荷分析的方案，该文献以一维动量理论和二维叶素理论为基础，进行风力机气动载荷分析计算，但由于缺乏对复杂流场的准确描述，无法准确获取叶片及周边流场的特征，在气动载荷计算上存在一定误差，影响了气动弹性仿真的准确计算，不利于推广使用。
进一步，上述文献基于三维建模，对风力机叶片进行有限元应力分析，数据处理量较大，仿真效率低，无法作为轻量级应用方案。
发明内容
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的一在于提供一种通过构建流动耦合模型、气动弹性形变计算模型、弹性响应仿真模型，进行流动计算，得到能反映流场多样性的叶素流动速度，从而可以对复杂的流场，进行准确描述，同时可以准确获取叶片及周边流场的特征，然后进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量；再基于叶素瞬态响应位移量，确定叶片气动弹性响应，从而可以实现风力机叶片的准确气动弹性仿真，并且计算精度高，利于推广使用的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法和介质。
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的二在于提供一种通过对叶素进行动力学仿真以及流动计算，构建了一种适用于叶片的一维应变分析方案，在应用上更为轻量，可以极大地减少了数据处理量，提高了仿真效率的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法和介质。
为实现上述目的之一，本发明的第一种技术方案为：
基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，包括如下内容：
获取待仿真风电机组的参数信息；
利用先期构建的叶片叶素化模型，基于叶素理论，对参数信息进行处理，得到一个或多个叶素力学信息；所述叶素力学信息包括叶素初始位置、叶素初始速度以及叶素初始体积力；
采用先期构建的流动耦合模型，对叶素初始体积力进行流动计算，得到能反映流场多样性的叶素流动速度；
根据先期构建的气动弹性形变计算模型，对叶素流动速度、叶素初始位置进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量；
基于叶素瞬态响应位移量，通过先期构建的弹性响应仿真模型，得到叶片气动弹性响应，实现风力机叶片的气动弹性仿真。
本发明通过构建流动耦合模型、气动弹性形变计算模型、弹性响应仿真模型，进行流动计算，得到能反映流场多样性的叶素流动速度，从而可以对复杂的流场，进行准确描述，同时可以准确获取叶片及周边流场的特征，然后进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量；再基于叶素瞬态响应位移量，确定叶片气动弹性响应，从而可以实现风力机叶片的准确气动弹性仿真，并且计算精度高，利于推广使用。
进一步，本发明通过对叶素进行动力学仿真以及流动计算，构建了一种适用于叶片的一维应变分析方案，在应用上更为轻量，相比基于三维模型的有限元分析方法，可以极大地减少了数据处理量，提高了仿真效率，是一种轻量级应用方案，易于编程实现。
作为优选技术措施：
参数信息至少包括风力机模型参数、风力机主体参数、风力机控制参数、风力机翼型参数和计算域参数；
风力机模型参数包括计算域入流风密度、风力机轮毂处风速、风向和风廓线幂指数；
风力机主体参数包括风力机轮毂中心位置、风力机轮毂半径和风力机半径；
风力机控制参数包括风力机偏航角、风力机桨距角、风力机转速；
风力机翼型参数包括弦长相关系数、升力系数和阻力系数；
弦长相关系数，用于表征展宽与翼型以及弦长之间的关系；
升力系数和阻力系数，用于表征雷诺数与攻角以及翼型截面气动载荷特征之间的关系；
计算域参数包括仿真计算域的长、宽、高以及各方向节点数。
作为优选技术措施：
利用叶片叶素化模型得到叶素初始位置和叶素初始速度的方法如下：
步骤21.根据仿真计算域的长、宽、高以及各方向节点数，进行仿真计算域的离散化，得到若干离散域以及相应的离散域中心位置；
步骤22.基于风力机轮毂处风速、风力机轮毂半径以及风廓线幂指数，形成具有高度分布的初始化风速风场；
步骤23.根据初始化风速风场与离散域中心位置的对应关系，得到离散域中心速度；
步骤24.基于叶素理论，将风力机叶片离散为若干个叶素；并根据叶素与风力机轮毂中心位置的距离、叶素所在的风力机叶片方位角、风力机偏航角，计算一个或多个叶素的位置，作为叶素初始位置；
步骤25.根据叶素初始位置，获取距离所述叶素最近的离散域中心速度；
步骤26.根据离散域中心速度以及速度梯度、间距，计算各叶素的速度，得到一个或多个叶素初始速度。
作为优选技术措施：
根据叶片叶素化模型得到叶素初始体积力的方法如下：
步骤31.根据叶素初始速度、叶素与轮毂中心距离以及风力机转速，计算叶素轴向速度和叶素切向速度；
步骤32.基于叶素轴向速度和叶素切向速度，计算得到叶素相对风力机叶片对应位置的相对速度、相对入流角以及攻角；
步骤33.根据相对速度、相对入流角、攻角和叶素对应翼型弦长，计算叶素所受的升力和曳力；
步骤34.基于叶素所受升力和曳力，计算叶素轴向力和叶素切向力；
步骤35.根据叶素轴向力、叶素切向力、叶素所在的风力机叶片方位角、风力机偏航角与风向的合角，计算得到叶素初始体积力。
作为优选技术措施：
采用流动耦合模型得到能反映流场多样性的叶素流动速度的方法如下：
步骤41.基于叶素初始体积力，引入卷积核函数进行空间分布，得到体积力分布关系；
步骤42.将体积力分布关系施加于离散域内，并基于三维高斯分布函数、分布系数、离散域中心距叶素距离，计算得到离散域体积力；
步骤43.根据离散域体积力，构建流动方程；
所述流动方程通过对时间、空间进行离散化处理，得到能反映风力机叶片运行时空气流动的控制方程；
步骤44.对流动方程进行仿真求解，获取离散域中各离散域中心速度；
步骤45.根据各离散域中心速度，确定距离某叶素最近的离散域中心速度；
步骤46.基于距离某叶素最近的离散域中心速度、速度梯度、叶素间距，计算得到某叶素的叶素流动速度。
作为优选技术措施：
对流动方程进行仿真求解的方法如下：
获取仿真求解域边界处的风力机入口垂直速度；
根据风力机入口垂直速度、风力机轮毂处风速和风廓线幂指数，计算得到风力机入口速度剖面；
根据风力机入口速度剖面以及各离散域中心的高度，获取各离散域中心速度。
作为优选技术措施：
气动弹性形变计算模型进行动力学计算的方法如下：
步骤51.由于在气动弹性分析中，大部分现有动力学分析方法均基于小叶片挠度假设下的传统线性模型，不适用于细长型的柔度较大并具有大挠度变形的海上风力机叶片。因此本发明根据风力机叶片的结构特征，构建能够表征细长柔性结构的动力学方程；
动力学方程通过叶素仿真时间、叶素位移量、叶素速度、叶素加速度、叶素质量矩阵、叶素阻尼矩阵以及叶素刚度矩阵进行构建。
步骤52.基于叶素初始位置和叶素流动速度，采用隐式线性多步积分法对动力学方程进行迭代求解，获得叶素瞬态响应位移量。
作为优选技术措施：
通过弹性响应仿真模型实现气动弹性仿真的方法如下：
基于叶素流动速度，计算各叶素体积力；
根据叶片长度，对若干叶素体积力进行积分，得到各叶片所受合力；
基于各叶片所受合力，得到叶片的气动载荷；
在叶素初始位置的基础上，叠加叶素瞬态响应位移量，得到各叶素位置；
基于各叶素位置，确定叶片在所述气动载荷下的位移量，得到叶片气动弹性响应；
基于气动载荷以及叶片气动弹性响应，实现风力机叶片的气动弹性仿真。
为实现上述目的之一，本发明的第二种技术方案为：
基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，包括以下步骤：
第一步，获取待仿真风电机组的参数信息；
第二步，利用先期构建的叶片叶素化模型，基于叶素理论，对参数信息进行处理，得到一个或多个叶素力学信息；
所述叶素力学信息包括叶素位置、叶素速度以及叶素体积力；
第三步，根据先期构建的气动弹性形变计算模型，根据叶素速度、叶素位置进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量，并更新得到新的叶素位置；
第四步，采用先期构建的流动耦合模型，对叶素体积力以及叶素位置进行流动计算，得到能反映流场多样性的新的叶素速度，并根据叶素速度对叶素体积力进行更新；
第五步，循环执行第三步至第四步，直至满足仿真要求，得到最终的叶素位置、叶素速度以及叶素体积力；
第六步，通过先期构建的弹性响应仿真模型，基于最终的叶素位置、叶素速度以及叶素体积力，得到叶片的气动载荷以及叶片气动弹性响应，完成风电机组的气动弹性仿真。
本发明通过动力学计算以及流动计算，得到能反映流场多样性的叶素流动速度，从而可以对复杂的流场，进行准确描述，同时可以准确获取叶片及周边流场的特征；再基于叶素流动速度和叶素瞬态响应位移量，确定叶片气动弹性响应，从而可以实现风力机叶片的准确气动弹性仿真，并且计算精度高，利于推广使用。
为实现上述目的之一，本发明的第三种技术方案为：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法。
与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过构建流动耦合模型、气动弹性形变计算模型、弹性响应仿真模型，进行流动计算，得到能反映流场多样性的叶素流动速度，从而可以对复杂的流场，进行准确描述，同时可以准确获取叶片及周边流场的特征，然后进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量；再基于叶素瞬态响应位移量，确定叶片气动弹性响应，从而可以实现风力机叶片的准确气动弹性仿真，并且计算精度高，利于推广使用。
进一步，本发明通过对叶素进行动力学仿真以及流动计算，构建了一种适用于叶片的一维应变分析方案，在应用上更为轻量，相比基于三维模型的有限元分析方法，可以极大地减少了数据处理量，提高了仿真效率，是一种轻量级应用方案，易于编程实现。
附图说明
图1为本发明风力机叶片气动弹性仿真方法的一种流程图；
图2为本发明风力机叶片气动弹性仿真方法的另一种流程图；
图3为本发明计算域的一种结构示意图；
图4为本发明某叶素点所受体积力的轴向分量和切向分量的一种示意图；
图5为本发明某叶片所受气动载荷在轴、/>轴和/>轴上的分量的一种示意图；
图6为本发明三个叶片在气动载荷下叶素位移量的一种示意图。
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。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
如图1所示，本发明风力机叶片气动弹性仿真方法的第一种具体实施例：
基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，包括如下内容：
获取待仿真风电机组的参数信息；
利用先期构建的叶片叶素化模型，基于叶素理论，对参数信息进行处理，得到一个或多个叶素力学信息；所述叶素力学信息包括叶素初始位置、叶素初始速度以及叶素初始体积力；
采用先期构建的流动耦合模型，对叶素初始体积力进行流动计算，得到能反映流场多样性的叶素流动速度；
根据先期构建的气动弹性形变计算模型，对叶素流动速度、叶素初始位置进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量；
叶素流动速度基于叶素瞬态响应位移量，通过先期构建的弹性响应仿真模型，得到叶片气动弹性响应，实现风力机叶片的气动弹性仿真。
本发明风力机叶片气动弹性仿真方法的第二种具体实施例：
基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，包括以下步骤：
第一步，获取待仿真风电机组的参数信息；
第二步，利用先期构建的叶片叶素化模型，基于叶素理论，对参数信息进行处理，得到一个或多个叶素力学信息；
所述叶素力学信息包括叶素位置、叶素速度以及叶素体积力；
第三步，根据先期构建的气动弹性形变计算模型，根据叶素速度、叶素位置进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量，并更新得到新的叶素位置；
第四步，采用先期构建的流动耦合模型，对叶素体积力以及叶素位置进行流动计算，得到能反映流场多样性的新的叶素速度，并根据叶素速度对叶素体积力进行更新；
第五步，循环执行第三步至第四步，直至满足仿真要求，得到最终的叶素位置、叶素速度以及叶素体积力；
第六步，通过先期构建的弹性响应仿真模型，基于最终的叶素位置、叶素速度以及叶素体积力，得到叶片的气动载荷以及叶片气动弹性响应，完成风电机组的气动弹性仿真。
如图2、图3所示，本发明风力机叶片气动弹性仿真方法的第三种具体实施例：
基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，包括如下步骤：
步骤1.基于已有输入参数内的计算域参数定义仿真求解域，离散化仿真求解域，获取风力机叶素离散信息；
步骤2.基于已有参数内的风力机主体参数、控制参数应用叶素理论，初始化各叶素位置和速度；
步骤3.基于各叶素的速度，计算各叶素体积力；
步骤4.基于各叶素点的位置和速度，仿真求解各叶素的动力学方程，计算各叶素响应，即叶素瞬态响应位移量，更新各叶素位置；
步骤5.将各叶素体积力分布施加于离散化计算域，对流动方程进行仿真求解，更新各叶素速度；
循环执行上述步骤3-5直至达到最大仿真时间步，获取每个时间步下各个叶素点的体积力及位移量，从而可以得到叶片的气动载荷以及叶片气动弹性响应，分析风力机的气动弹性特性。
因此本发明可计算复杂流场作用下的气动载荷以及叶片气动弹性响应，从而可以准确分析风力机叶片的气动弹性特征。
本实施例中：已有输入参数包括：风力机模型参数、风力机主体参数、风力机控制参数、风力机翼型参数和计算域参数。
风力机模型参数包括计算域入流风密度、风力机轮毂处风速、风向和风廓线幂指数；
风力机主体参数包括风力机轮毂中心位置、风力机轮毂半径和风力机半径；
风力机控制参数包括风力机偏航角、风力机桨距角、风力机转速；
风力机翼型参数包括弦长相关系数、升力系数和阻力系数；
弦长相关系数，用于表征展宽与翼型以及弦长之间的关系；
升力系数和阻力系数，用于表征雷诺数与攻角以及翼型截面气动载荷特征之间的关系；
计算域参数包括仿真计算域的长、宽、高以及各方向节点数。
本发明对风力机信息进行初始化的一种具体实施例：
初始化风力机信息，需应用叶素理论，构建叶片叶素化模型，将风力机叶片简化为独立于周围其他叶素作用的各个叶素，并基于前述风力机轮毂位置及半径确定各叶素的笛卡尔坐标，相应的计算公式如下所示：
前述公式中，n为风力机叶片下标，i为叶素下标，、/>、/>为轮毂位置的笛卡尔坐标，/>为叶素与轮毂中心距离，即叶素距叶根距离与风力机轮毂半径之和，/>为叶素所在的风力机叶片方位角，/>为风力机偏航角与风向的合角。
本发明计算叶素体积力的一种具体实施例：
各叶素体积力的计算，需获取各叶素所受升力、曳力/>，相应的计算公式如下所示：
前述公式中，为入流风密度，/>为各叶素对应翼型弦长，/>为各叶素的相对入流速度大小，/>和/>分别为各叶素对应翼型的升力与阻力系数，与各叶素所处入流攻角/>和雷诺数/>相关。
前述相对入流速度大小为各叶素相对风力机叶片对应位置的速度大小，相应的计算公式如下所示：
前述公式中，为相对风力机的叶素轴向速度大小，/>为相对风力机的叶素切向速度大小，相应的计算公式如下所示：
前述公式中，为风力机转速，/>,/>,/>为叶素速度/>在x轴、y轴、z轴上的分量。
各叶素处速度需在离散化计算域中，搜寻距离叶素最为接近的离散域中心，获取其速度、速度梯度/>、叶素距离/>，具体计算公式如下：
前述各叶素对应翼型的升力与阻力系数，为各叶素在所处入流攻角与雷诺数下，作为局部流动条件所对应的气动特征，进行二维插值所得。
前述攻角，与各叶素相对入流角以及桨距角/>相关，所述关系为:
前述公式中，相对入流角满足关系：/>。
获取各叶素所受升力，曳力后，可获取相对风力机的轴向力及切向力/>，相应的计算公式如下所示：
则前述各叶素体积力的各分量，可由下述关系获取：
本发明构建动力学方程的一种具体实施例：
通过构建气动弹性形变计算模型，将动力学方程为简化叶片的几何精确梁模型所满足的方程，所述方程为：
前述方程中，为时间，/>为位移量，/>为速度，/>为加速度，/>为质量矩阵，/>为阻尼矩阵，/>为刚度矩阵。
前述几何精确梁模型具备三个节点，六个自由度，相比于传统梁模型，更适用于具备细长柔性结构特征的风力机叶片。
本发明将叶素体积力施加于离散化计算域的一种具体实施例：
各叶素体积力分布施加于离散化计算域，需基于各个叶素体积力，引入卷积核函数进行空间分布，基于分布关系施加于离散化计算域内，防止前述仿真求解出现数值振荡，基于所述关系获取各离散域体积力为：
前述为三维高斯分布函数，/>为分布系数，r为离散域中心距叶素距离，/>为叶素体积力。
三维高斯分布函数的计算公式如下：
本发明仿真求解流动方程的一种具体实施例：
通过构建流动耦合模型对流动方程的仿真求解，其包括以下内容：
在离散化计算域中，通过时间、空间离散化的代数形式替代原有的积分形式或偏微分形式的流动方程并进行迭代求解，从而可以有效处理方程内部的耦合、非线性，对计算过程中叶片周边复杂流场进行准确描述。
所述流动方程为可以描述风电机组（风力机）运行时空气流动背后物理基础的控制方程，下面列举了从两个物理定律中推导出的控制方程，也就是现实中的所有工程流体问题都遵循物质守恒、动量守恒的关系，相应的计算公式如下所示：
物质守恒：
动量守恒：
前述方程中，为时间，/>为压强，/>为流体速度，/>为剪切力，/>为动量守恒方程的源项。
前述仿真求解，需要进行仿真求解域边界处风力机入口垂直速度的指定，其中，风力机入口速度剖面在高度上具备对数分布关系，其余方向为均匀分布关系，所述高度关系如下所示：
前述z为高度，为高度z处的风速，/>为风力机轮毂处风速，/>为风廓线幂指数。
前述仿真求解，可获取离散化计算域中各离散域中心速度，并可通过前述方式获取并更新各叶素处速度，用于下一个时间步的计算。
本发明分析风力机的气动弹性特性的一种具体实施例：
通过构建弹性响应仿真模型，分析风力机的气动弹性特性，气动弹性特性为风力机各叶片所受合力以及各叶素位移量。
前述各叶片所受合力，需基于叶片上各叶素点所受体积力进行积分，相应的计算公式如下所示：
前述为叶片所受合力，即叶片的气动载荷，/>为叶片各叶素体积力，/>为叶片长度。
本发明通过对复杂流场的仿真，可准确计算叶片的气动载荷以及叶片气动弹性响应，从而可以准确分析气动弹性特性，因此可适用于海上兆瓦级风力机。并且本发明的建立成本较低，适用工况范围较广，可扩展性强，例如，可结合风力机伺服控制系统进行分析，或应用于数字孪生平台进行展示。
本发明风力机叶片气动弹性仿真方法的第四种具体实施例：
本发明的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法工作流程包括：
步骤1：基于输入参数内的计算域参数，包括计算域长、宽和高，各方向节点数，进行求解域的离散；
步骤2：基于输入参数内的风力机主体参数，风力机控制参数和风力机翼型数据，确定各叶素位置，并基于风力机模型参数，确定各叶素初始速度；
步骤3：基于各叶素速度，获得各叶素的体积力；
步骤4：迭代求解各叶素的动力学方程，获取各叶素的位移量，并更新各叶素的位置；
步骤5：将各叶素的体积力投影分布至离散化计算域，求解流动方程，更新各叶素点的速度；
循环步骤3到步骤5，直到最大仿真时间步，获取风力机叶片瞬态气动载荷及气动弹性响应。
从而本发明不需要直接搭建风力机模型，就可以实现风力机叶片的气动载荷计算以及气动弹性响应仿真，准确性较高且易于使用。
应用本发明对某型号风力机叶片进行气动弹性仿真的一种具体实施例：
对基于某型号风力机进行基于叶素理论与流动耦合方程的风力机叶片气动弹性仿真分析，其包括以下内容：
风力机的叶轮半径为61.5m，其装配叶片1、叶片2、叶片3。叶片设计采用DU系列翼型；叶片截面分布质量为294.73，弦长方向翼型截面刚度为1102.4E6/>，宽度方向翼型截面刚度为3447.1E6/>，扭转方向翼型截面刚度为144.47E6/>，轴向拉伸刚度为1632.7E6N；轮毂半径为1.5m，轮毂位于计算域中心，高度为70m。
验证中，对风力机在入流风风速为12，转子转速为12.1rpm，偏航角为15°，桨距角为3.83°的工况下进行分析，其具体包括以下步骤：
步骤1：设置计算域的长、宽、高为，设置计算域的节点为，以准确计算叶片扫掠区域为目的，在轮毂中心周边分配节点数为，进行计算域的离散化；
步骤2：确定风力机叶片的起始位置，并将风力机叶片离散独立于其他叶素作用的各个叶素，确定各个叶素与轮毂中心距离，从而获取各个叶素的初始位置，所述关系满足：
前述公式中，(,/>,/>)为轮毂位置的笛卡尔坐标，/>为叶素与轮毂中心距离，/>为叶素所在的风力机叶片方位角，/>为风力机偏航角。
基于风力机轮毂处风速、轮毂高度以及风廓线幂指数，在全仿真域形成具有高度分布的初始化风场，所述关系如下：
前述z为高度，为高度z处的风速，/>为风力机轮毂处风速，/>为风廓线幂指数。
在初始化离散计算域中，读取各离散域中心速度，从而初始化各个叶素的初始速度。
对于各叶素的速度，通过获取距各叶素最近离散域中心速度/>，速度梯度/>，间距/>，满足下述关系：
步骤3：基于各叶素的速度，获取相对风力机的叶素入流特征，并获取叶素体积力。本实施例中：首先，计算相对风力机的叶素轴向及切向速度大小/>和/>，所述关系如下：
前述公式中，为风力机转速；
基于前述相对风力机的叶素轴向及切向速度大小和/>，获取叶素相对风力机叶片对应位置的速度的大小，相对入流角以及攻角，相应的计算公式如下所示：/>
基于以上特征，获取叶素所受升力和曳力，相应的计算公式如下所示：
前述公式中，为各叶素对应翼型弦长;
基于以上关系，可得到某叶素点瞬态体积力的相对轴向分量和切向分量，可参见图4，进一步获取相对风力机的各叶素轴向力，切向力/>，相应的计算公式如下所示：
基于以上关系，进一步计算各叶素体积力/>，得到某叶片所受瞬态合力（气动载荷）在/>轴、/>轴和/>轴上的分量，即/>、/>、/>，可参见图5，相应的计算公式如下所示：/>
步骤4：将动力学方程简化为线性化一阶微分方程组，如下：
前述方程组中，为动力学方程中质量矩阵，/>为位移量，B为系统动量，/>为完整约束，/>为非完整约束，/>为完整约束拉格朗日乘子，/>为非完整约束拉格朗日乘子。
基于各叶素点位置和速度，采用隐式线性多步积分法进行迭代求解，获得各叶素位移量，即各叶素瞬态响应，并更新各叶素位置，从而可得到叶片的位移量。
步骤5：通过引入卷积核函数，将各叶素体积力分布施加于离散化计算域，相应的计算公式如下所示：
前述公式中，为分布系数，r为离散域中心距叶素距离。
求解流动方程，并更新各叶素在下一个时间步的方位角位置以及速度。
最后，循环步骤3-步骤5，直到最大仿真时间步，最终获取各个叶素点所得瞬态体积力，各风力机各叶片所受的瞬态合力以及瞬态响应。
其中，各叶片瞬态合力基于叶片上各叶素体积力沿叶片长度积分所得，相应的计算公式如下所示：
前述公式中为叶片所受合力，/>为叶片各叶素体积力，/>为叶片长度。
进而应用本发明，进行气动弹性结果计算，利用求解叶素理论-流动耦合方程，充分考虑了复杂流场作用，能够准确计算叶片1、叶片2、叶片3在气动载荷下叶尖处沿x方向的叶素位移量，可以得知三个叶片均以0.145m的位移量进行振动，其位移量均小于5.70m（米），具体可参见图6。
综上可以得知，叶素体积力以及叶片总载荷由于三维特性影响，呈一定随机分布，且各分量的周期性时序分布与其他分量相同，但载荷分量差异较大。三个叶片均在复杂流场风载荷作用下，存在位移量约为0.145m的振动。
应用本发明方法的一种设备实施例：
一种电子设备，其包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法。
应用本发明方法的一种计算机介质实施例：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是根据本申请实施例的方法、设备（系统）、计算机程序产品的流程图或/和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图或/和方框图中的每一流程或/和方框以及流程图或/和方框图中的流程或/和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，其特征在于：
包括如下内容：
获取待仿真风电机组的参数信息；
利用先期构建的叶片叶素化模型，基于叶素理论，对参数信息进行处理，得到一个或多个叶素力学信息；所述叶素力学信息包括叶素初始位置、叶素初始速度以及叶素初始体积力；
采用先期构建的流动耦合模型，对叶素初始体积力进行流动计算，得到能反映流场多样性的叶素流动速度；
根据先期构建的气动弹性形变计算模型，对叶素流动速度、叶素初始位置进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量；
基于叶素瞬态响应位移量，通过先期构建的弹性响应仿真模型，得到叶片气动弹性响应，实现风力机叶片的气动弹性仿真。
2.如权利要求1所述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，其特征在于：
参数信息至少包括风力机模型参数、风力机主体参数、风力机控制参数、风力机翼型参数和计算域参数；
风力机模型参数包括计算域入流风密度、风力机轮毂处风速、风向和风廓线幂指数；
风力机主体参数包括风力机轮毂中心位置、风力机轮毂半径和风力机半径；
风力机控制参数包括风力机偏航角、风力机桨距角、风力机转速；
风力机翼型参数包括弦长相关系数、升力系数和阻力系数；
计算域参数包括仿真计算域的长、宽、高以及各方向节点数。
3.如权利要求2所述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，其特征在于：
利用叶片叶素化模型得到叶素初始位置和叶素初始速度的方法如下：
步骤21.根据仿真计算域的长、宽、高以及各方向节点数，进行仿真计算域的离散化，得到若干离散域以及相应的离散域中心位置；
步骤22.基于风力机轮毂处风速、风力机轮毂半径以及风廓线幂指数，形成具有高度分布的初始化风速风场；
步骤23.根据初始化风速风场与离散域中心位置的对应关系，得到离散域中心速度；
步骤24.基于叶素理论，将风力机叶片离散为若干个叶素；并根据叶素与风力机轮毂中心位置的距离、叶素所在的风力机叶片方位角、风力机偏航角，计算一个或多个叶素的位置，作为叶素初始位置；
步骤25.根据叶素初始位置，获取距离所述叶素最近的离散域中心速度；
步骤26.根据离散域中心速度以及速度梯度、间距，计算各叶素的速度，得到一个或多个叶素初始速度。
4.如权利要求2所述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，其特征在于：
根据叶片叶素化模型得到叶素初始体积力的方法如下：
步骤31.根据叶素初始速度、叶素与轮毂中心距离以及风力机转速，计算叶素轴向速度和叶素切向速度；
步骤32.基于叶素轴向速度和叶素切向速度，计算得到叶素相对风力机叶片对应位置的相对速度、相对入流角以及攻角；
步骤33.根据相对速度、相对入流角、攻角和叶素对应翼型弦长，计算叶素所受的升力和曳力；
步骤34.基于叶素所受升力和曳力，计算叶素轴向力和叶素切向力；
步骤35.根据叶素轴向力、叶素切向力、叶素所在的风力机叶片方位角、风力机偏航角与风向的合角，计算得到叶素初始体积力。
5.如权利要求2所述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，其特征在于：
采用流动耦合模型得到能反映流场多样性的叶素流动速度的方法如下：
步骤41.基于叶素初始体积力，引入卷积核函数进行空间分布，得到体积力分布关系；
步骤42.将体积力分布关系施加于离散域内，并基于三维高斯分布函数、分布系数、离散域中心距叶素距离，计算得到离散域体积力；
步骤43.根据离散域体积力，构建流动方程；
所述流动方程通过对时间、空间进行离散化处理，得到能反映风力机叶片运行时空气流动的控制方程；
步骤44.对流动方程进行仿真求解，获取离散域中各离散域中心速度；
步骤45.根据各离散域中心速度，确定距离某叶素最近的离散域中心速度；
步骤46.基于距离某叶素最近的离散域中心速度、速度梯度、叶素间距，计算得到某叶素的叶素流动速度。
6.如权利要求5所述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，其特征在于：
对流动方程进行仿真求解的方法如下：
获取仿真求解域边界处的风力机入口垂直速度；
根据风力机入口垂直速度、风力机轮毂处风速和风廓线幂指数，计算得到风力机入口速度剖面；
根据风力机入口速度剖面以及各离散域中心的高度，获取各离散域中心速度。
7.如权利要求1所述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，其特征在于：
气动弹性形变计算模型进行动力学计算的方法如下：
步骤51.根据风力机叶片的结构特征，构建能够表征细长柔性结构的动力学方程；
动力学方程通过叶素仿真时间、叶素位移量、叶素速度、叶素加速度、叶素质量矩阵、叶素阻尼矩阵以及叶素刚度矩阵进行构建；
步骤52.基于叶素初始位置和叶素流动速度，采用隐式线性多步积分法对动力学方程进行迭代求解，获得叶素瞬态响应位移量。
8.如权利要求1所述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，其特征在于：
通过弹性响应仿真模型实现气动弹性仿真的方法如下：
基于叶素流动速度，计算各叶素体积力；
根据叶片长度，对若干叶素体积力进行积分，得到各叶片所受合力；
基于各叶片所受合力，得到叶片的气动载荷；
在叶素初始位置的基础上，叠加叶素瞬态响应位移量，得到各叶素位置；
基于各叶素位置，确定叶片在所述气动载荷下的位移量，得到叶片气动弹性响应；
基于气动载荷以及叶片气动弹性响应，实现风力机叶片的气动弹性仿真。
9.基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法，其特征在于：
包括以下步骤：
第一步，获取待仿真风电机组的参数信息；
第二步，利用先期构建的叶片叶素化模型，基于叶素理论，对参数信息进行处理，得到一个或多个叶素力学信息；
所述叶素力学信息包括叶素位置、叶素速度以及叶素体积力；
第三步，根据先期构建的气动弹性形变计算模型，根据叶素速度、叶素位置进行动力学计算，得到叶素瞬态响应位移量，并更新得到新的叶素位置；
第四步，采用先期构建的流动耦合模型，对叶素体积力以及叶素位置进行流动计算，得到能反映流场多样性的新的叶素速度，并根据叶素速度对叶素体积力进行更新；
第五步，循环执行第三步至第四步，直至满足仿真要求，得到最终的叶素位置、叶素速度以及叶素体积力；
第六步，通过先期构建的弹性响应仿真模型，基于最终的叶素位置、叶素速度以及叶素体积力，得到叶片的气动载荷以及叶片气动弹性响应，完成风电机组的气动弹性仿真。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：
其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-9任一所述的基于叶素理论的风力机叶片气动弹性仿真方法。
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| WANG KE 等: "Experimental and numerical investigations on effect of blade trimming on aerodynamic performance of squirrel cage fan", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》, vol. 177, 1 July 2020 (2020-07-01) * |
| 陈刚 等: "水平轴风力机叶片弯弯耦合气弹响应分析", 《太阳能学报》, no. 05, 28 May 2020 (2020-05-28) * |
| 陈嘉豪 等: "海上浮式风机时域耦合程序原理及其验证", 《上海交通大学学报》, no. 12, 28 December 2019 (2019-12-28) * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117744409A (zh) * | 2024-02-19 | 2024-03-22 | 南京航空航天大学 | 海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117436322B (zh) | 2024-04-19 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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