基于STAR-CCM+与Abaqus耦合风力发电机仿真全攻略
导读：在“双碳”战略实施的背景下，新能源快速发展，可再生能源逐渐成为人们关注焦点。风能成为发电能力成本较低的新选择，并成为一种较有竞争力的清洁能源发电方式。自2004年以来，大型风力发电机的投入运营累计数量显著增加，这是因为大型风力发电机具有较高的输出功率和较低的平准化度电成本（LCOE）。风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。风力发电机根据其运行标准、运行时的特征，可以将其分为3种类型。不管是哪一种类型，在具体的运行过程中，都具有独特的属性，表现出不同的特征。这种类型的发电机采用的主要是笼型异步发电机，在实际的运用过程中，具有诸多方面的优点，但是同时也有一定的缺陷。比如，其在实际的运行过程中，对于额定功率有一定的标准，比较容易对电网的功率因数产生负面影响，导致运行不稳定。对此，为了达到补偿无功的目的，在发电机组与电网之间，需要配备上一定容量的并联补偿电容器组。由于风力发电不同于其他类型的发电，具有一定的特殊性，这种发电机的结构相对比较简单。因此，在风力发电发展的前期，其具有成本较低的优势，并且运行起来具有一定的稳定性，应用相对比较广泛，在一定程度上促进了风力发电产业的发展。但是随着对风力发电研究的不断深入，这种发电机的缺点越来越明显。其主要表现为，这种类型的发电机转速只能保持在一定的额定转速上，对于风力的功率要求较高。与此同时，如果发电机的转速过于高，会导致运行不稳定。在一般情况下，需要将两种速度的发电机结合起来进行使用，从而在利用中低速风能资源的同时，实现对高速风能资源的利用。这种类型的发电机应用也比较广泛，与以上所描述的发电机有一定的相似之处，具有明显的优势和劣势，为绕线式异步发电机。在实际的运用过程中，需要将其优势发挥出来，避开其缺点，从而发挥其使用价值。与其他类型的发电机相比，变速的有限性是其核心部分，也是其的特点所在。在具体的应用过程中，不仅需要在整体上保证其功率输出的可靠性，并且还需要保证其具有一定的稳定性。输出的功率是否能够达到稳定的状态，在很大程度上影响着这种类型发电机的运行效果。因此，在进行具体的实践时，需要根据实际情况，采取相对应的手段，保证运行时的功率。同时，要改善运行时的状态，如果没有提前采取相应的措施，或者进行必要的防范工作，很有可能会对电网产生负面影响。在风速较大时，如果电网的能量供应达到了相应的标准，那么可以有效提高电网运行时的速度，达到提升电网容量的目的。在风力运行变小时，会影响和制约电网的输出功率。由此可见，要提高对这类发电机使用的科学性，进而在电网的运行过程中，减少风力条件所产生的影响。与此同时，在这类发电机运行过程中，可以采取针对性的措施，对外来电阻进行调控，保证运行时的稳定性，但是这种手段具有一定的缺点，会对资源造成浪费。在严重的情况下，会直接影响风力发电的效果。在运用这类发电机时，要综合考虑各方面的因素，从而对其应用成效进行优化通过对风力事业发展情况的了解发现，出现了越来越多的风力发电机类型，且技术含量不断提高。与以上两种类型的风力发电机相比，这种类型的风力发电机同等重要，发挥着不可忽视的重要作用。“变速”二字十分关键，也是这种类型发电机的核心。从字面上的意思理解，在进行风力发电时，其能够对速度进行调节和控制，并且达到电网运输安全的目的，在保障电网顺利运行的同时，提高运行时的效率。在具体的实践过程中，还可以将这种类型的风力发电机进行进一步细分。但是从整体上来分析，不管是哪一种模式，其基本特点都不会发生改变，即为变速运行。比如，比较常见的有刷双馈异步发电机，这种类型的发电机经过了一定的优化和改进，能够避免出现无功损耗的情况，同时也不会出现无功补偿的情况。与此同时，优点十分明显，比较突出的优势为变换器在体积上较小，且分量小，发电机运行时的负重得到大大降低，可以进一步保证发电机的高效率运行。二、风力发电机仿真有那些
流场是指风运动的区域，而风机相当于实体障碍物，风与风机相互作用的实质就是空气的外部绕流。所以建立流场模型的思路是：通过布尔运算的方法，用规划好的流场实体减掉风力发电机的几何实体，就得到了空气流场，风机的外轮廓成为壁面。考虑到叶轮的自身旋转，把整个流场区域分成两部分，一部分是只包含叶轮的旋转部分，其余是静止部分。风轮旋转情况下的气动特性采用滑移网格的仿真方法，要求旋转区域的网格节点以一定的角速度转动，转动过程中节点之间要实现数据交换。因此在进行体相减布尔运算时，保留各自的表面，即在旋转区域的边界处时存在两个表面，一个属于内部的旋转区域，另一个属于外部的静止区域，在风轮旋转仿真计算过程屮，静止和旋转两个区域的数据交换就通过这两个表面上的网格节点来实现。风力发电机的外形结构比较复杂，尤其是具有空间曲面外形的叶片，所以采用非结构网格类型，依次对线、面和体进行划分，单元尺寸由风机轮廓面向外部空间呈逐渐变大的趋势，网格由密到疏。设置叶片、机舱和轮毂的线长度，采用三角形非结构网格，应用尺寸函数进行表面网格划分，再以面网格为基础，保持默认的线长度设置，对相应的体进行划分，通过上述方法可以实现对网格疏密程度的控制。边界条件是指流动变量在边界处的值，合理和最接近实际的边界条件是计算获得精确流场解的必要前提，设定正确的边界条件对于应用进行流场分析至关重要。风机仿真可以提供了入口边界、出口边界和壁面等一系列边界条件，其中入口条件主要用于定义流动入口边界处的速度、压力和质量；出口条件主要包括自由出流、压力出口、压力远场等；壁面条件主要用于限定流体和固体区域。针对风力发电机流场特点，定义了如下的边界条件—入口边界，设定恒定风速值或通过描述变风速建立入口风速模型。出口边界：气流与风力发电机相互作用后继续向下游出口流动，衰减后的气流在出口处的压力和流速无从知晓，因此对于这种压力和速度未知的情况，将出口边界定义为自由出流。风况和载荷条件是风电机组设计的外部条件和重要基础。对风力发电机组的性能和结构整体而言，作用在风电设备上的外部载荷主要是由风况决定的，载荷条件在很大程度上取决于风况，因此风况是最基本的外部条件。外部条件分为正常和极端两种，正常外部条件主要涉及风电机组机构长期承载和运行状态的设计需求，而极端外部条件则是临界的外部设计条件。在风电机组的设计中，外部条件所涉及到的风速和湍流尺度等参数与风电机组的等级密切相关，风力发电机组设计要求中对各等级风电机组的基本参数有明确的规定。风况也分为正常风况和极端风况两类，图概括了风力发电机组设计要求中规定的计算风况。其中风速分布反映的是各级风速出现的频率，以决定风轮载荷的变化，和轮毂高度处的年平均风速一样，是机组设计的基础参数；风切变是指风速幅值在水平方向或垂直方向按一定的函数规律变化，风廓线单指垂直方向的风速切变；阵风是指风速幅值随时间而变化。在风力发电机的气动仿真中，湍流是指风速的随机变化，对载荷分析有重大影响。湍流模型不仅是一个独立的风况，更包含在风速、风向变化的风况之中，因此湍流模型涉及的关键参数对风况同样重要。湍流风速被定义为纵向、横向和竖向三个矢量分量，其中纵向分量沿平均风速方向，横向分量在水平面内垂直于纵向分量。采用有限体积法对流体区域进行离散，主要包括计算区域离散和控制方程离散两方面。计算区域离散实质上将整个流体区域分隔成多个子区域，即生成网格；而控制方程的离散化是把偏微分格式的控制方程转化为各节点上的代数方程组，从而进行求解。对代数方程组的求解主要由两种方法，基于压力的分离法和耦合法，两种求解器的区别：要是求解速度、压力、温度等未知量的方式和顺序不同：分离解法首先假定初始压力场，求解动量方程获取速度场，进而求解连续性方程来修止压力场，通过判断计算的收敛性来决定重新计算还是继续计算下一时间步，该方法不直接求解代数方程组，而是对方程进行依次求解；耦合算法假定速度和压力的初始值，确定离散方程的系数和常数项，联立求解连续性方程、能量方程和动量方程，最后进行收敛判定，该方法需要联立代数方程组求解出各变量值。基于压力的求解器主要应用于不可压缩或微可压缩流动，而耦合求解器多用于高速的可压流动。求解器还有隐式和显式之分，隐式求解思路是对于给定变量，单元内的未知量的获得想要求解包含邻近单元的己知量和未知的方程，因此每个未知量会参与多个方程的建立，所有这些方程的同吋求解是获得所有变量的唯一方法；显式求解的思路是对于给定变量，单元内的未知量的获得是通过只包含已知量方程求解，每一个方程中只包含一个未知量，因此依次求解单一方程即可求得单元内的所有未知量的解。隐式求解比显示求解收敛速度快，但计算量偏大。结合风力发电机流场分析的特点，选择基于压力的分离隐式求解器进行三维非稳态计算；采用速度压力耦合的算法，选取较小的松弛因子，提高计算的收敛速度；选择二阶迎风格式提高仿真计算的精度。风力发电机的仿真最简单的是采用移动参考系方法，风机不转、参考系旋转。风力发电机最常用的是采用刚体运动方法，风机被建模为刚体，通过滑移网格进行风机的旋转。STAR-CCM 中的动态流体相互作用 (DFBI) 用于使用定义的机械和多物理场相互作用生成的位移和旋转来模拟 6 自由度体的运动。在每个时间步中，STAR-CCM+将在刚体上施加合力与力矩，并求解运动的控制方程以查找刚体的新位置和方向。采用6自由度的动态流体相互作用的方法，计算风在叶片表明产生的压力，通过计算压力产生的扭矩，结合风机转动惯量可以得出风机的加速度，从而实现风机的被动旋转。在固体力学中，固体结构的正则模态描述结构在其固有（或共振）频率下的自由振动运动。结构振动的自由模态控制其对外部力的动态响应，并影响其应力特性。每个振动模态以固定频率发生，并且与其他模态无关。结构的固有频率取决于其材料属性和几何特征。正则模态分析可用于确定固体应力模拟中足够的时间步。在时间相关的模拟中，时间步必须足够小才能捕捉结构的最高振动模态。正则模态分析对于为受振动影响的结构（如悬索桥和机翼）的动态响应进行建模至关重要。在 STAR-CCM+中，固体应力正则模态模型用于计算采用线性或非线性设置（包括非线性几何和非线性材料定律）的模拟中固体结构的正则模态。颤振是弹性结构在均匀气流中由于受到气动力、弹性力和惯性力（见达朗伯原理）的耦合作用而发生的振幅不衰减的自激振动。发生颤振的必要条件是：结构上的瞬时气动力与弹性位移之间有位相差，因而使振动的结构有可能从气流中吸取能量而扩大振幅。弯曲位移 （即挠度）和气动力同位相的情况，气动力在一个周期内对机翼作的正功和负功相互抵消；气动力落后于弯曲位移π/2时，由于气动力总作正功，机翼不断从气流中吸取能量。除了能量输入外，还必须有一定的相对气流速度才能发生颤振。在速度较低的情况下，结构所吸取的能量会被阻尼消耗而不发生颤振，只有在速度超过某一值时，才会发生颤振。若吸取的能量正好等于消耗的能量，则结构维持等幅振动，与此状态对应的速度称为颤振临界速度v（简称颤振速度）。当气流速度跨越颤振速度时，振动开始发散。1、直接双向流固耦合瞬态仿真：通过监测位移与时间的关系，通过振动曲线可以发现变形随着时间增加是趋于稳定值还是变形随着时间增加而增加即发生颤振。2、能量法：以能量交换的观点来分析颤振，一个振动周期内，非定常气动力对振动系统所做的功为正时，表明系统从气流中吸收能量，振动发散；反之，如果流场对系统做负功，相当于阻尼的作用，使振动耗散。对浮动式风力发电机采用重叠网格方法对风机进行建模，对风力发电机在水中的运动采用动态流体相互作用的六自由度法结合缆绳工具对风机施加载荷。浮动式风力发电机还关注其安全性，对船舶与浮动式风力发电机的碰撞进行仿真，以了解风机在碰撞过程中的受损情况。这里采用STAR-CCM+和 Abaqus 的强耦合进行船舶与浮动式风力发电机的碰撞仿真使用 STAR-CCM+和 Abaqus 运行协同仿真涉及两个代码之间的强耦合。数据以频密间隔（称为耦合步）进行交换;利用求解器之间的通信，可以获得整个流体/固体交界面的完全求解。STAR-CCM 将拉力负载传递给 Abaqus（压力 壁面剪应力），而 Abaqus 将位移传递给 STAR-CCM 。在 Abaqus 中，拉力负载作用于固体结构的表面。STAR-CCM+中，位移作为网格变形器输入使用。在协同仿真中，通过使用 SIMULIA 协同仿真引擎STAR-CCM 和 Abaqus 之间自动交换数据。这种方法不同于基于文件的方法，这是因为两种代码之间的耦合相当强烈，而且STAR-CCM 和 Abaqus 同时运行。要创建协同仿真案例，必须分别为流体和固体域准备单独的模型。在 Abaqus 创建固体模型，并在 Abaqus 输入文件中定义。在STAR-CCM 模拟中创建流体模型，并且在该模拟中定义适当的边界条件和物理属性。对于每个模型，必须指定一组协同仿真参数。这些参数确定构成流体结构交界面的边界/表面、由交界面导入/导出的场数据、耦合步骤的频率等。当设置完成后，使用 STAR-CCM 来运行协同仿真。在运行协同仿真之前，先分别运行流体模型和固定模型的单独案例以便确定这些模型各自收敛。STAR-CCM 和 Abaqus 运行协同仿真-强耦合三、风电行业仿真技术进阶
以下是课程大纲：
《风电行业设计仿真进阶8讲：基于STAR-CCM 与Abaqus耦合风力发电机仿真全攻略》
（7）掌握STAR-CCM 与Abaqus的耦合仿真。（8）为订阅用户提供相关学习资料，VIP群行业交流和知识圈答疑服务（9）可以根据VIP群用户需要，酌情加餐内容或者直播。（2）STAR-CCM 软件和Abaqus的学习者和使用者；
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