2MW级风力发电机数值模拟

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1 前言

风力发电机是利用转子叶片的旋转从而捕获风中的动能将其转换成机械能继而通过发电机转换为电能的装置，风轮所产生的动力是决定风力发电机组发电量的根本，风力机组的发电性能与风轮产生的动力成正比。之前我们做了两个垂直轴风力机的案例，今天我们继续做一个水平轴风力机的模拟，这种风力机在当前的大型风力发电机组是最常见的（如下图所示的海上风电）。

2 建模与网格

根据如下的风力机叶片参数创建风轮，叶片数量为3，该风力机的功率级别为2MW，翼型采用NACA4415，可以通过profili获取。

风轮的创建特别是叶片的建模应该说是整个模拟工作的主要内容，根据风轮的转动特点，叶片在长度方向上会有扭转，且各叶素的翼型以及弦长都不一样，叶根为圆形，因此建模方法就是放样，通过放样的方法在创建模型的过程中经常会出现自相交报错，另外导入CFD前处理软件进行网格划分时也容易出现自相交而无法进行。另外，翼型的原始坐标通常在后缘不是闭合的，有的做法是强行将后缘y坐标改为零，这种做法非常容易造成模型划分网格时自相交，建议将这两点连线来实现闭合。

翼型的原始坐标是未经过扭转的，最理想的做法是通过坐标变换的方式直接获得叶素的实际坐标，然后直接进行放样。总结如下，注意下面的变换是假定翼型的气动中心坐标为（0.25倍弦长,0），即z坐标为0，实际上更为准确的是z=z-z_Aero，不过通常薄翼型的气动中心约处在0.25倍弦长处。采用EXCEL表格可以非常轻易得到变换后的坐标，这里需要特别注意的是，翼型原始归一化坐标数据中有个点的x坐标刚好落在0.25处，这样会造成分母为零，我们可以将气动中心的x坐标改成非常接近0.25比如0.25000001，这样就可以避免计算报错了。

创建的风轮模型如下，同样地，我们采用MRF来模拟风轮的转动，具体方法可参考之前垂直轴风力机的操作介绍，本案例不再冗述。

整个计算域的单元数约为300万，节点数约为870万，采用Mosaic网格（多面体+六面体），最小正交质量约为0.34。

3 边界条件和求解设置

介质为默认的空气。

采用Rke湍流模型，避免处理采用Scalable壁面函数。

整个静态域为圆柱形，一端为速度入口，一端为压力出口，圆柱面为对称边界。里面包含圆柱型的动态域，两者通过interface来实现数据交换。

根据如下风力机技术参数来设置空气速度大小和风力转动角速度，需要注意角速度的方向要和风向对应起来，风轮的旋转方向从叶片截面上看是使得空气的相对速度是从前缘指向后缘。本案例的角速度方向是-Y轴向（遵循右手法则），速度是Y方向，最终计算得到的风轮所受转矩方向也应该是-Y轴（风推动风轮转动），这样转矩和角速度的乘积才是正功率值。