[發明專利]一種風機自動對風的數值模擬方法及系統

在審

• 申請號: 202110345559.8
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113094882A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 劉震卿;樊雙龍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 劉洋洋

本發明屬于流體力學相關技術領域，其公開了一種風機自動對風的數值模擬方法及系統，該數值模擬方法包括：風機的軸向為X方向，徑向為Y方向；獲取風機中心圓環的平均合風速以及偏轉角；將計算域中風機轉動偏轉角，轉動后軸向為X’方向，徑向為Y’方向，根據平均合風速獲得圓環X’方向的體積力和圓環切向的體積力；將圓環切向的體積力在Y’方向和Z方向進行分解得到Y’方向和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對應網格單元實現風機轉動角度的更新。本申請可以實現模擬過程中風機的自動對風，更加符合真實情況，模擬精度高。

技術領域

本發明屬于流體力學相關技術領域，更具體地，涉及一種風機自動對風的數值模擬方法及系統。

背景技術

近年來關于風電場的計算流體動力學(Computational Fluid Dynamic，CFD)數值模擬中，基于葉素動量理論(Blade Element Momentum Method，BEM)提出的致動盤模型(Actuator-disk Model，ADM)計算得到的風機尾流速度分布能夠很好和風洞試驗吻合，驗證了數值模擬的可靠性。致動盤模型中的方法是通過給指定網格單元添加體積力源項來代替風機葉片對來流風產生的軸向里和切向力，在數值模擬中與三維Navier-Stokes動量方程相結合，以此來獲得風機周圍流場信息。該方法避免了對風機直接建模而帶來的葉片貼體網格劃分難度大，對計算性能要求高等問題，并且能很好的捕捉尾流區的流場特性，非常適用于風機尾流流場的研究。

但是，該模型對風機(致動盤)前的來流風有一定的限制要求，來流風向要與致動盤垂直，并且致動盤體積力大小與來流風速大小相關?，F有技術關于致動盤的研究中，幾乎都是在指定條件下進行的，例如，指定來流風速的方法、給定風機初始的偏轉角度等，一經設定來流風速和風機的初始偏轉角度是不變的。而實際上來流風一般都是動態變化的，并且現實中的風機一般都具有偏航系統(對風裝置)，當來流風速矢量方向變化時，該裝置能夠使風機快速平穩的對準風向，以便能夠獲得最大的風能，提高風機的發電效率，因此，亟需對現有的風機的研究方法進行進一步的優化以更好的模擬反應真實情況。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種風機自動對風的數值模擬方法及系統，通過計算偏航后的體積力將該體積力作用于風機的網格單元上實現風機的自動轉動，更加符合真實風機運動過程，提高了數值模擬風場的精確度。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種風機自動對風的數值模擬方法，所述數值模擬方法包括：S1：將風機沿徑向劃分成n個寬度為d_r的圓環，設定風機的初始軸向為X方向，徑向為Y方向，與XY平面垂直的方向為Z方向；S2：獲取所述風機中心圓環所包含的網格單元的平均合風速以及所述平均合風速與X軸的夾角即偏轉角；S3：將計算域中風機轉動偏轉角，重新提取各圓環所包含的網格單元，轉動后風機的軸向為X’方向，風機的徑向為Y’方向，根據所述平均合風速獲得圓環X’方向的體積力和圓環切向的體積力；S4：將所述圓環切向的體積力在Y’方向和Z方向進行分解得到Y’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中的網格單元實現風機的轉動角度的更新。

優選地，步驟S3中根據所述平均合風速獲得圓環X’方向的體積力和圓環切向的體積力具體包括：S31：根據所述平均合風速獲得圓環X’方向的軸向力和圓環切向的切向力；S32：獲取風機的網格單元轉動后圓環包含的網格單元，并計算圓環所包含的網格單元的總體積；S33：將所述X’方向的軸向力和圓環切向的切向力與總體積分別相除獲得圓環X’方向的體積力和圓環切向的體積力。

優選地，步驟S31中采用如下公式計算獲得圓環X’方向的軸向力dF_n和圓環切向的切向力dF_t：