【研究前沿】多转子系统中增强型风力涡轮机的CFD模拟-LBM法_Fluent_CFX_燃烧_通用_Polyflow_ParaView

【研究前沿】多转子系统中增强型风力涡轮机的CFD模拟-LBM法

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这篇文章是2024年发表在《Journal of Physics: Conference Series》。

这篇文章介绍了一项研究，该研究使用格子玻尔兹曼方法（LBM）对多转子系统中的增强型风力涡轮机（DAWT）进行了计算流体动力学（CFD）模拟。研究发现，通过优化扩散器间隙，可以显著提高多转子系统的发电效率，平均功率增益超过10%。该研究不仅验证了LBM在模拟多转子DAWT系统方面的准确性和效率，还为风力发电技术的进一步发展提供了有价值的见解和设计参考。

研究背景

风力发电作为一种清洁能源，在能源结构转型中扮演着重要角色。增强型风力涡轮机（DAWT）通过在涡轮机周围增加扩散器来提高风速，从而增加发电效率。然而，扩散器的风阻限制了其规模化发展。为了克服这一难题，研究者提出了多转子系统的概念，即在同一结构上集成多个风力涡轮机，以期望提高整体的风力发电效率。然而，多转子系统的CFD模拟需要高分辨率网格，导致计算成本显著增加。因此，该研究旨在探索一种高效的模拟方法，以评估大规模多转子DAWT系统的性能。

研究方法

该研究采用了格子玻尔兹曼方法（LBM），这是一种适用于大规模CFD模拟的计算方法，能够有效降低计算成本。LBM通过模拟流体粒子的统计行为，避免了求解压力泊松方程的迭代过程，从而实现快速的流体模拟。在模拟中，风力涡轮机采用动线模型表示，而扩散器则作为壁面边界处理。此外，研究中还引入了局部网格细化方法，以在转子和扩散器附近提供更高分辨率的网格，进一步提高模拟的准确性和效率。

研究内容

研究内容包括对单个DAWT和由五个DAWT组成的多转子系统的模拟。模拟条件基于风洞实验设置，包括统一的6米/秒风速和特定的转子转速。研究重点在于评估扩散器间隙对系统性能的影响，模拟了不同扩散器间隙比例（5%-25%的扩散器直径）下的多转子系统。通过模拟，研究者分析了尾流速度、压力分布、功率增益和阻力系数等关键性能指标。

研究结果

模拟结果显示，与风洞实验和通用CFD方法的结果相比，LBM方法得到的尾流速度和压力分布趋势一致，验证了所提出模拟方法的准确性。特别是当扩散器间隙为20%和25%时，每个DAWT的功率增益显著，五个DAWT的平均功率增益超过10%。此外，模拟还发现，随着扩散器间隙的增大，系统的整体性能有所提高，但阻力也随之增加。这些发现证实了LBM方法在评估多转子系统水动力特性方面的有效性，并为未来风力发电技术的发展提供了有价值的见解。

来源：CFD饭圈

【研究前沿】风力涡轮机尾迹涡流轨迹的全面CFD研究：收缩式风力涡轮机案例

这篇文章是2024年发表在《Energy》。文章通过计算流体动力学（CFD）对收缩式风力涡轮机尾迹涡流轨迹进行了全面的研究。利用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）数值解，分析了包括气动性能和涡流特性在内的整个风力涡轮机。研究发现，收缩装置可以显著改变流经转子的流动机制，从而影响尾迹涡流轨迹。研究结果表明，与裸露涡轮机相比，收缩式涡轮机的功率系数有所提高，但同时带来了噪声水平的提升。1. 研究背景随着从化石燃料向可再生能源的过渡，收缩式涡轮机作为提高风电场性能和改善工作条件范围的有前途的解决方案应运而生。尽管收缩装置带来的高成本是一个巨大的应用障碍，但由于增加了发电量、延长了使用寿命、减少了叶片疲劳以及对偏航的能源输出敏感度降低，收缩式风力涡轮机相比传统风力发电系统提供了潜在的成本节省。2. 数值方法研究使用开源代码UCNS3d作为CFD求解器，采用多重参考框架（MRF）能力，对转子和收缩装置之间的复杂相互作用进行了深入研究。该求解器通过求解压缩RANS方程，使用单元中心的有限体积方法在非结构化多块网格上进行空间离散化，并通过局部CFL数推进伪时间求解。3. 研究结果 - 收缩装置对气动载荷的影响：收缩装置增加了通过转子平面的质量流量，从而提高了涡轮机的推力和扭矩。- 收缩装置对近尾迹的影响：收缩装置显著改变了尾迹涡流结构的持续性、旋转相位同步性和相干性。- 尾迹涡流与收缩装置的相互作用：收缩装置的边界层与尾迹涡流的相互作用导致了尾迹涡流的快速衰减和不稳定性。4. 研究结论 - 压缩纳维-斯托克斯方程在多重参考框架公式下成功预测了在宽范围的叶片径向站点和风速下的压差系数。- 收缩装置与裸露涡轮机相比，在7 m/s的操作风速下，扭矩增加了87%，这对低风速下运行的涡轮机是有益的。- 收缩装置显著改变了尾迹涡流的行为，诱导了不稳定性效应和湍流，破坏了螺旋模式。来源：CFD饭圈