基于CFD的风力机三维数值模拟

基于CFD的风力机三维数值模拟

汤松臻周俊杰

郑州大学化工与能源学院郑州450002

[ 摘要] 本文主要以某一水平轴风机为研究对象，运用Fluent对其进行优化设计和流固耦合数值模拟。

通过优化算法，把风机的转动惯距、风机转速和来流速度整体结合，并对风机外流场就行流固

耦合分析，得出风力发电机叶片的受力分布形态和规律,为进一步的疲劳寿命、断裂分析和风

机叶片的结构优化设计提供依据和参考。

[ 关键词]风力发电机；数值仿真；流固耦合；动力学

3D Numerical Simulation Of Blade Of Fan Based On CFD

Tang Song-zhen, ZHOU Jun-jie

(School of Chemical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou,450002)

[ Abstract ] In this paper, a certain horizontal axis wind turbine was used as the main research model, the paper simulated its fluid solid interaction field and optimized the design by Fluent. Using the optimization

theory to make the fan speed, the flow velocity and the torque together. Fluid-solid coupling method

was used to simulate the dynamic characteristics of a horizontal axis wind turbine. Through

analyzing the data, the laws of the stress and strain distributions were got. It provides reference for

the further study on the failure and fatigue life, and for mechanical optimal design also.

[ Keyword ] Wind turbine; Numerical simulation; Fluid-solid coupling; Dynamic

1前言

当今煤、石油、天然气等传统能源消耗的日益增加，能源危机日益严重，寻找新的可再生能源成为人类社会发展所面临的重要问题。风能作为一种无污染可再生的新能源有着巨大的发展潜力，风能的开发利用受到各国的广泛重视。

风机的动力来自于风速，转速则受制于转轴的摩擦阻力以及风速的大小，目前利用Fluent来计算风机问题，多数都是固定转速以及来流速度来判断风机表面的受力状况，很少把风机的转动惯距、风机转速和风机的来流速度整体结合的算例，本文将通过优化算法，把风机的转动惯距、风机转速和风机的来流速度结合起来，为风机的设计提供设计依据。

研究风力机内部流体流动的方法主要有理论分析、实验研究和数值模拟三种。在数值模拟方面，杨承志、柳慧春等利用FLUENT软件对风力机进行三维旋转流场的数值模拟，

得到流场的流动细节与流动特性，探索性地研究了三维旋转流场物性参数的分布特征以及叶片周围流场的分布规律。朱德臣利用Fluent软件对风轮附近流场进行了数值研究，以等值线图、云图、流动矢量、流线、迹线、二维曲线图等方式较为形象直观地描述了流场运动规律。本文利用Ansys Workbench Fluent软件使用旋转域对所设计的风力机进行数值模拟，分析风力机周围的速度分布和叶片的压力分布情况，为风力机叶片的优化提供依据。

2风机的优化设计

针对某一水平轴风力机，假设当地风速范围为5m/s～25m/s，转速速度范围为1rad/s～10rad/s，如何保证在不同风速下，风机能有一个恒定的转速，风机系统必须设计一个合理的伺服机构，通过伺服机构给定一个合理的转矩与风速的关系，控制风机合理的转速范围。

本节通过Fluent进行优化设计。

2.1优化模型的创建

2.1.1优化模型

将Solidworks 绘制的叶片模型导入Workbench12.0进行流动区域的设置和计算网格的划分。风机模型如图2.1所示。Fluent优化分析如图2.2所示。

图2.1 风机模型图2.2 优化分析

2.1.2网格划分

由于叶片尺寸非常大，如果将整个区域的流体设置为旋转，计算域的外边界上将具有非常大的周向速度，计算很难收敛。因此用Fluent进行数值计算时将整个计算域分为内区域和外区域两个部分，其中内区域为旋转区域,两个区域之间通过interface面传递数据。为了更真实的反映流场情况，划分网格时，对叶片附近网格进行加密处理。区域网格如图2-2(a)、(b)。

（a）外区域体网格（b）旋转区域体网格

图2-2 区域网格划分

2.1.3区域的命名

命名的目的是为了区分各个体和面，方便后面边界条件的设置及结果的查看和分析。如表2-1。

表2-1 区域命名

2.2边界条件与求解器设置

2.2.1边界条件设置

(1)内部区域边界条件。将内部旋转域rot-air设置为Rotational，并创建转速为进口参数,即angular-velocity-2。

(2)速度进口边界条件。将inlet设置为velocity-inlet，并创建进口参数为velocity-1。

(3)压力出口边界条件。设置Pressure-outlet，出口环境为大气压。

(4)Symmetry边界条件。将外流场侧面设置为symmetry边界条件。

(5)Interface边界条件。由于内部旋转域和外部流场的网格划分尺寸不同，本文将内部旋转域和外部流场的交界面设置为interface边界条件，并在Type中设置为interior。

2.2.2求解选择及参数设置

本文选择Fluent求解器，对流项选用High Resolution动量、湍流动能等均采用二阶迎风格式离散。计算模型选择标准的k-ε湍流模型效果比较好。收敛控制：最大迭代步（1000）。对整个模型初始化，然后进行多步计算，直到各项残差图比较稳定，并且数值足够小(采用RMS残差<1e-5)，则可认为结果收敛。

在CFD-POST的表达式下，分别创建2个表达式：torque axil=torque_z( )@blade，mass outlet =massFlow( )@outlet。表达式torque axil用来判断在不同转速、不同进口条件下