水平轴风力机的数值分析解析

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1、Altair2017技术大会论文集水平轴风力机的数值分析TheNumericalAnalysisofHorizontalAxisWindTurbine朱兵1陈刚2(1．上海理工大学、上海、200093；2.澳汰尔工程软件上海有限公司、上海、200072)摘要:风力机叶轮是实现能量转换的核心设备，能否准确预测其性能和分析流场特征对于水平轴风力机的设计和运行均具有重要意义。本文采用基于有限单元方法的三维粘性求解器AcuSolve软件，对NRELPhaseVI标准水平轴风力机模型进行了数值分析。结果表明，在未失速工况下，

2、数值预测的风力机性能与实验数据能较好地吻合，转捩模型可稍许提高数值预测的精度；在失速和深声速工况下，叶片表面出现明显的流动分离现象，SST模型和转捩模型的数值预测的误差均较大，需要考虑采用非定常含尺度解的模型，以能捕捉详细的流场结构，提高数值预测的精度。关键词:水平轴风力机，数值模拟，有限单元法，AcuSolveAbstract:Windturbinebladeisthekeycomponentofenergyequipment,accuratelypredictingaeroperformanceandflowf

3、ieldiscrucialforoperationanddesign.ThisCFDsimulationworkisdonebyFEMbasedsolverAcuSolve.AstandardNRELPhaseVIhorizontalwindturbinemodelisnumericallyanalyzed.CFDresultsmatchexperimentaldatawellifthereisnostall,turbulencetransitionmodelmayimproveaccuracyalso.Howev

4、erindeepstallpoints,separationismuchgreater,RANSturbulencemodelsuchasSSTcan’tcaptureflowwellanymore,inthiscircumstancesunsteadyeddyscaleresolutionmodelismoreappropriate.Keywords:HorizontalAxisWindTurbine，NumericalSimulation，FiniteElementMethod，AcuSolve1概述能源问题与

5、环境问题是对当今世界政治、经济和科技产生重大影响因素。目前，由于石油和煤炭等化石能源不可持续，且这些能源在被利用过程中会对环境造成污染。风能作为一种可再生的清洁能源，在能源和环境问题日益突出时代，具备了大规模开发和商业化发展的市场条件，其战略地位也受到世界各国的公认，风力发电也在近三十年获得了迅速发展[1,2]。风力机是将风的动能转变为机械能的装置，是风力发电的核心装置，其叶轮性能直接决-1-Altair2017技术大会论文集定了风力发电的效率和运行稳定可靠性。与航空飞行器等其它与空气动力学密切相关的机械相比，风力

6、机的运行有着自身的特点：风力机在近地面大气边界层内运转，受到地理、地形、气候和风电场中风力机间的相互干扰等诸多因素影响，来流条件异常复杂，使得风力机气动现象表现出高度非定常性；风力机叶片常常工作在失速和动态失速状态，而目前对失速的准确计算还存在较大困难，对动态失速气动特性和机理也缺乏深刻理解；风力机叶片根部和尖部区域的流动是高度三维的，在靠近叶根区域存在显著的三维旋转效应，在叶尖区域螺旋形叶尖涡的诱导作用明显。因此，风力机附近的流场受到的影响因素众多，形成的流场复杂。尽管目前计算流体力学已经得到了快速的发展，在风力

7、机流场分析和设计过程中发挥了重要作用，但是如果仍然存在较多的问题，如何准确有效地捕捉流场结构？提高数值预测的精度，从而提高数值分析的可信度，值得进行深入研究[3-15]。本文拟采用基于有限单元法的三维粘性流场求解器AcuSolve软件，对某一水平轴风力机标准模型（NRELPhaseVI）进行数值模拟，并将数值计算的结果与实验数据进行对比，对比考察了标准的SST湍流模型及其转捩模型在不同的来流风速下预测风力机性能的精度水平，并对不同来流风速下的流场进行分析，从而为风力机叶轮的优化设计和流场分析提供指导。2数理模型本文

8、将采用基于最小二乘伽辽金法的有限单元求解器AcuSolve对某一水平轴风力机进行数值分析，本节将对该方法的基本思想和针对水平轴风力机的求解方法作一简单介绍。2.1控制方程的离散求解方法伽辽金法作为加权余量法的一种势函数选取形式，其基本思想是将求解微分方程问题（应用方程所对应泛函的变分原理）简化成为线性方程组的求解问题。伽辽金法获得微分方程对应的弱近似解形式，