[发明专利]基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法

说明书

一种基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法，其特征在于：所述模型将整个建模过程分为三个阶段依次进行：第一阶段，采用基于BEM气动理论的建模方式将风力机简化为计算盘体，保留风力机基本的物理信息；第二阶段，采用基于DNS方法的CFD技术将第一阶段的气动模型转化为体积力源项，加入预先设定好的控制方程；第三阶段，加入风力机模型的边界条件，针对网格部分进行有效设计，求解控制方程，并与实际数据收敛，调整相关参数，校正模型准确性。通过本模型，能够有效对风电场流场分析，可以得到风力机的性能指标数据和风电场的流场特性，为功率预测、风机性能分析、风机微观选址等多方面风场优化运行提供了有效基础理论。

技术领域

本发明涉及一种基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法，属于风力 发电机空气动力分析技术领域。

背景技术

目前中国风能迅速发展，但同时弃风限电现象时有发生。进一步降低风力 发电成本势在必行，其关键在于对风电场的流场分析，图1是风力机流场示意 图。通过风电场流场分析，可以得到风力机的性能指标数据和风电场的流场特 性，为功率预测、风机性能分析、风机微观选址等多方面风场优化运行提供有 效基础理论。因此建立一种有效的风力机气动模型成为风电场流场分析的重要 部分。

流场分析始终离不开风力机本身的建模工作，目前使用风力机真实模型所 造成的计算量不可能在现有计算机上完成，而多种高精度模拟手段并不能满足 工程所需的时间要求。而上世纪70年代丹麦等风电强国的风机模型主要依靠工 程经验所设计，已不能满足目前风电行业所需的分析要求。风机建模工作，从 维度上可分为二维、三维建模，从气动理论上可分为经验推理、涡方法、叶素 动量方法等。总的来说，目前流场分析所需的计算模型在精度上能够提供理想 量的有效数据，同时能够满足工程可接受的计算速度。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于克服现有工程风机模型精度上的不足，提供一种工程可 接受速度并能够提供详细有效数据的风机气动计算模型。本模型建立方法立足 于：依靠传统气动理论，并提出多种修正，得出适用于雷诺平均方法的计算模 型，并在实际风场数据得到有效验证。

技术方案

一种基于CFD技术的风力机气动计算模型建模方法，其特征在于：所述模 型将整个建模过程分为三个阶段依次进行：第一阶段，采用基于BEM气动理 论的建模方式将风力机简化为计算盘体，保留风力机基本的物理信息；第二阶 段，采用基于DNS方法的CFD技术将第一阶段的气动模型转化为体积力源项， 加入预先设定好的控制方程；第三阶段，加入风力机模型的边界条件，针对网 格部分进行有效设计，求解控制方程，并与实际数据收敛，调整相关参数，校 正模型准确性。

1、叶片气动模型(第一阶段)

(1)代表风力机叶片作用的体积力基于叶素假设，将叶片的微元段(即叶 素)看成二维翼型截面，根据当地的流场信息与已知的翼型性能数据、叶片几 何外形信息计算所得。图2就是某叶素的翼型截面图，其中x方向为来流方向。 叶片翼型截面的当地速度为：

其中，Ω为风轮转动的角速度，r为叶片翼型截面展向位置，V_x和V_θ分别为叶 片翼型截面的轴向速度和切向速度。

叶片翼型截面的当地速度与风轮平面之间的夹角，也就是入流角为：

叶片翼型截面的当地攻角为入流角减去当地桨距角：

α＝φ-γ (3)

其中γ为当地桨距角。

在确定了叶片翼型截面当地速度与当地攻角之后，即可以得到叶片各个截 面单位展长升力与阻力：