[發(fā)明專利]一種風(fēng)機(jī)自動(dòng)對(duì)風(fēng)的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110345559.8
• 申請(qǐng)日: 2021-03-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113094882A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉震卿;樊雙龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 劉洋洋

1.一種風(fēng)機(jī)自動(dòng)對(duì)風(fēng)的數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述數(shù)值模擬方法包括：

S1：將風(fēng)機(jī)沿徑向劃分成n個(gè)寬度為d_r的圓環(huán)，設(shè)定風(fēng)機(jī)的初始軸向?yàn)閄方向，徑向?yàn)閅方向，與XY平面垂直的方向?yàn)閆方向；

S2：獲取所述風(fēng)機(jī)中心圓環(huán)所包含的網(wǎng)格單元的平均合風(fēng)速以及所述平均合風(fēng)速與X軸的夾角即偏轉(zhuǎn)角；

S3：將計(jì)算域中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所述偏轉(zhuǎn)角，重新提取各圓環(huán)所包含的網(wǎng)格單元，轉(zhuǎn)動(dòng)后風(fēng)機(jī)的軸向?yàn)閄’方向，風(fēng)機(jī)的徑向?yàn)閅’方向，根據(jù)所述平均合風(fēng)速獲得圓環(huán)X’方向的體積力和圓環(huán)切向的體積力；

S4：將所述圓環(huán)切向的體積力在Y’方向和Z方向進(jìn)行分解得到Y(jié)’方向的體積力和Z方向的體積力，而后將X’方向的體積力和Y’方向的體積力在X和Y方向進(jìn)行分解和合成得到X方向和Y方向的體積力，將X方向、Y方向和Z方向的體積力添加至步驟S3中的網(wǎng)格單元實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的更新。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S3中根據(jù)所述平均合風(fēng)速獲得圓環(huán)X’方向的體積力和圓環(huán)切向的體積力具體包括：

S31：根據(jù)所述平均合風(fēng)速獲得圓環(huán)X’方向的軸向力和圓環(huán)切向的切向力；

S32：獲取風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格單元轉(zhuǎn)動(dòng)后圓環(huán)包含的網(wǎng)格單元，并計(jì)算圓環(huán)所包含的網(wǎng)格單元的總體積；

S33：將所述X’方向的軸向力和圓環(huán)切向的切向力與總體積分別相除獲得圓環(huán)X’方向的體積力和圓環(huán)切向的體積力。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S31中采用如下公式計(jì)算獲得圓環(huán)X’方向的軸向力dF_n和圓環(huán)切向的切向力dF_t：

其中，ρ為空氣密度，N為所述風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)量，c為dr處對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)葉片弦長(zhǎng)，C_n為軸向推力系數(shù)，C_t為切向阻力系數(shù)，均為已知參數(shù)；ω為平均合風(fēng)速。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述平均合風(fēng)速的的獲取方法為：

提取風(fēng)機(jī)的中心圓環(huán)所包含網(wǎng)格單元在X方向的平均風(fēng)速和Y方向的平均風(fēng)速，將所述X方向的平均風(fēng)速和Y方向的平均風(fēng)速進(jìn)行合成獲得所述平均合風(fēng)速。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S4中將所述圓環(huán)切向的體積力在Y’方向和Z方向進(jìn)行分解得到Y(jié)’方向的體積力和Z方向的體積力的具體包括：

將所述圓環(huán)切向的體積力相對(duì)于風(fēng)機(jī)圓心進(jìn)行分解得到Y(jié)’方向的體積力和Z方向的體積力，其中，所述Y’方向的體積力df_y′和Z方向的體積力df_z的表達(dá)式為：

df_y′＝df_tcosβ

df_z＝df_tsinβ

其中，df_t為圓環(huán)切向的體積力，β為圓環(huán)所包含的網(wǎng)格單元的中心與圓環(huán)圓心的連線在Y’Z平面上與Y’軸之間的夾角。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S4中X方向和Y方向的體積力的計(jì)算公式為：

df_x＝df_ncosθ-df_tcosβsinθ

df_y＝df_nsinθ+df_tcosβcosθ

其中，df_x為X方向的體積力，df_n為圓環(huán)X’方向的體積力，θ為偏轉(zhuǎn)角，df_y為Y方向的體積力。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟S1之前還包括：

S0：獲取風(fēng)機(jī)所在位置的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，將所述數(shù)字高程數(shù)據(jù)作用于計(jì)算域平坦地形下的CFD模型，獲得所述風(fēng)機(jī)在復(fù)雜地形CFD模型中的實(shí)際三維坐標(biāo)。

8.一種風(fēng)機(jī)自動(dòng)對(duì)風(fēng)的數(shù)值模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

劃分模塊：用于將風(fēng)機(jī)沿徑向劃分成n個(gè)寬度為d_r的圓環(huán)，設(shè)定風(fēng)機(jī)的初始軸向?yàn)閄方向，徑向?yàn)閅方向，與XY平面垂直的方向?yàn)閆方向；

獲取模塊：用于獲取所述風(fēng)機(jī)中心圓環(huán)所包含的網(wǎng)格單元的平均合風(fēng)速以及所述平均合風(fēng)速與X軸的夾角即偏轉(zhuǎn)角；

提取模塊：用于將計(jì)算域中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)角，重新提取各圓環(huán)所包含的網(wǎng)格單元，轉(zhuǎn)動(dòng)后風(fēng)機(jī)的軸向?yàn)閄’方向，風(fēng)機(jī)的徑向?yàn)閅’方向，根據(jù)所述平均合風(fēng)速獲得圓環(huán)X’方向的體積力和圓環(huán)切向的體積力；

分解和合成模塊：用于將所述圓環(huán)切向的體積力在Y’方向和Z方向進(jìn)行分解得到Y(jié)’方向的體積力和Z方向的體積力，而后將X’方向的體積力和Y’方向的體積力在X和Y方向進(jìn)行分解和合成得到X方向和Y方向的體積力，將X方向、Y方向和Z方向的體積力添加至提取模塊中的網(wǎng)格單元實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的更新。