1、0工程计算方法及应用软件课题名称 风力发电机机机翼分析 姓 名 学 院 机械与汽车工程 专业班级 过程装备与控制工程 11-2 班 指导老师 马培勇 0目 录一、物理过程的描述 1二、数学建模 11、模拟问题 12、数学方程描述 2三、网格的划分 31、建立单叶片流动模型： 32、建立垂直轴风力机模型 5四、边界条件设置与求解计算 81、单叶片的数值模拟 82、垂直轴风力机的数值模拟 15五、结果分析与总结 191、NACA4412 翼型周围流场分析 .192、垂直轴风力机模拟分析 20六、软件学习心得 230一、物理过程的描述风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大
2、，全球的风能约为 2.74109MW，其中可利用的风能为 2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10 倍。风很早就被人们利用-主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵) 、发电机和铁塔三部分。 （大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只( 或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。图
3、1.1 风轮 风轮，叶片和翼型是风能中最基本的概念，它是掌握风能获取机理的基础，只有了解了这些概念，才能进一步研究风力机的空气动力学特性问题。 图 1.2 翼型相关概念示意图二、数学建模1、模拟问题建造一台具有三个叶片的风力发电机，风速为 7.5m/s 时效率最高，输出功率为 5kw，1转速为 8.9rad/s。叶片翼型选用 NACA4412，最大半径等于风轮高度的一半。风轮的几何尺寸为下表：高度（m） 半径（m） 叶片弦长（m）8.4 4.2 12、数学方程描述控制方程二维可压缩雷诺平均 Navier-Stokes 方程和双方程湍流模型无量纲化后在笛卡尔坐标系中可以写成如下守恒形式：， 为对
4、流通矢量，D 为粘性矢量，S 为源项，具体为：Tq62.,1QiF其中：其中，E=e+u1u2/2+k 和 H=h+u1u2/2+k 分别是滞止内能和滞止焓，k 是湍动能。2不是一般性，湍流流动控制方程在任意曲线坐标系中可写成无量纲形式：其中， 对于连续方程、二维动量方程、能量方程、低雷诺数双方Tq62.,1Q程湍流模型 6 个方程，J 为坐标变换 Jacobian 行列式。 为对流通量矢量，D 为粘性项，iFS 为源项，Re 为雷诺系数。湍流模型采用 K- 低雷诺数双方程湍流模型。三、网格的划分1、建立单叶片流动模型：在网上搜索 NACA4412 翼型的相关坐标数值，并将数值导入 Gambi
5、t 中，创建机翼所在的平面，在 Gambit 中进行单个叶片的建模。图 3.1 单叶片模型3建立叶片外部流动区域图 3.2 叶片及外部流动区域划分面网格图 3.3 划分面网格对话框 图 3.4 单叶片的网格划分4设置边界类 图 3.5 边界类型设置对话框 边界条件的设置如下表：边界名称 边界类型 组成边线Inlet Velocity-inlet ACOutlet Pressure-outlet BDWall1 Wall 叶片的上边线Wall2 Wall 叶片的下边线输出并保存网格文件2、建立垂直轴风力机模型创建弦长为 1m 的 dat 文件，并将其导入 Gambit 中。5图 3.1 弦长 1
6、m 的 NACA4412 数据创建叶片所在平面、旋转流场和外部流场将导入的坐标点连线，并用构面选项将其构造成一个叶片的整体面。之后用画圆工具分别绘制半径为 4.2 与 10 的旋转流场与外部流场。将叶片移动旋转至指定位置并复制成3 个，按照 120平均分布在旋转流场周围。6图 3.2 叶片分布与流场设定划分面网格分别对旋转流场和外部流场划分网格。 （a） （b） 图 3.3 划分网格设置对话框7图 3.4 划分后的网格图设置边界类型和区域类型. （a） （b） 图 3.5 设置边界类型 输出网格文件四、边界条件设置与求解计算1、单叶片的数值模拟（1）与网格相关的操作导入单叶片的网格文件检查网格
7、8图 4.1 网格文件的导入与检查确定长度的单位并显示网格图 4.2 长度单位设置对话框 图 4.3 展示网格（2）选择计算模型设置求解器，与流动模型：因为空气为可压缩流，故选用 Density Based。同时，由于空气流速大，故选用 k-epsilon 湍流模型。9图 4.4 求解器设置对话框图 4.5K- 湍流模型设置对话框设置边界条件：打开 Boundary Condition 设置对话框，如图 4.6 所示。10图 4.6 边界选择对话框设置入口速度边界条件：A）在图 4.6 所示的列表框中选择 inlet，inlet 为进风口，要选择进风速度，因此在右侧Type 列表框中显示其类型
8、为 Velocity-inlet，单击 Set 按钮，打开速度边界设置对话框，如图 4.7 所示。B）在 Velocity Specification Method（速度给定方式）下拉列表中选择Magnitude，Normal to Boundary（给速度的大小，速度方向垂直于边界） 。C）在 Velocity Magnitude（入口速度）文本框中输入 8，表示进风速度为 8m/s，右侧栏内选择 constant（常值） 。D）保留其他设置。E）单击 OK 按钮关闭 inlet 设置对话框。11图 4.7 速度边界设置对话框设置出口边界条件：在 Zone 列表中单击 outlet，再单击
9、Set 按钮，打开 Pressure Outlet 对话框，出口处不用做处理。图 4.8 出口边界设置对话框壁面的边界条件保持默认即可。12（3）进行求解A）求解参数的设置操作：SolveControlsSolution Controls打开如 4.9 所示的对话框，选择二阶迎风格式。图 4.9 求解参数设置对话框B）流场初始化操作：SolverInitializeInitialization打开 Solution Initialization 对话框，如图 4.10 所示。在 Computer from 列表中选择 inlet，单击 Init 按钮，再单击 Close 按钮关闭初始化对话框。
10、图 4.10 流场初始化对话框13C）打开残差图操作：SolveMonitorsResidual打开对话框如图 4.11 所示，选择 Option 下面 Plot，以便在计算时动态地显示计算残差，将 Convergence 全部设置为 0.00001，最后单击 OK 按钮。图 4.11 残差设置对话框D）开始迭代操作：SloveIterate在打开的对话框中，在 Number of Iteration（迭代次数）栏中输入 1000。单击 Iterate 按钮开始计算。图 4.12 单叶片残差图14E）保存 case 和 data 文件。2、垂直轴风力机的数值模拟读入网格文件并进行相关操作。选择
11、计算模型。A）设置求解器。操作：DefineModelssolver打开 Solver 设置对话框，保留默认设置，单击 OK 按钮关闭对话框。B）设置标准 k 一占湍流模型。C）操作环境的设置。操作：DefineOperating Conditions保留默认设置。设置边界条件。操作：DefineBoundary Conditions打开 Boundary Conditions 设置对话框，如图 4.14 所示。图 4.13 求解器设置对话框 图 4.14 边界选择对话框15A）设置 fluid-1 流体区域的边界条件。fluid-1 为叶轮所在的旋转流场，因此要设置旋转速度。在 Zone 下
12、面选择 fluid-l，它对应的边界条件类型为 fluid，然后单击 Set 按钮打开 fluid-1 边界条件设置对话框，如图 4.15所示。在 Motion 对应的 Motion Type 下选择 Moving Reference Frame，利用它可以设置区域 fluid-1 是可动区域，它的运动方式可以是平动或者转动。在 Rotational Velocity 项对应的 Speed 中输入 89。图 4.15fluid-1 流体区域的边界条件设置B）设置 fluid-2 流体区域的边界条件。fluid-2 为外部流场，保留默认设置即可。C）设置 fluid-inner 的边界条件。在
13、Zone 下面选择 fluidinner，对应的边界条件类型为 Wall，界条件需要改动为interface。D）设置 fluidouter 的边界条件。在 Zone 下面选择 fluid-outer，对应的边界条件类型为 Wall，界条件需要改动为interface。E）设置 fin 的边界条件。16在 Zone 下面选择 fin，它对应计算区域中的 3 个叶片，可见它对应的边界条件类型为Wall，然后单击 Set 按钮，打开对话框如图 4.16 所示。在 Momentum 对应的 Wall Motion下面选中 Moving Wall，说明它是运动的。在此时展开的 Motion 对应项中选
14、中 Rotational，表明是转动。如何转动可以选择 Relative to Adjacent Cell Zone，此时 Speed 后面的数值为0。以上设置就说明叶片是与以 89rads 转动的 fluid-1 区域是同步转动的。图 4.16 叶片的运动定义对话框定义交界面打开对话框如图 4.17 所示，具体操作如下：在 Grid Interface 中输入交界面的名称interface：在 Interface zone 1 下面选中 fluid-inner，在 Interface zone 2 下面选中 fluid-outer。单击 Create 按钮创建交界面，通过这个交界面，flui
15、d l 和 fluid2 中的数据就能交流了。17图 4.17 网格交界面的设置求解方法的设置及其控制A）操作：SolveControls Solution打开图 4.18 所示的对话框，选择二阶迎风格式图 4.18 求解参数设置对话框B）流场初始化。打开初始化对话框，并设置 Compute from 为 All Zones，依次单击 Init、Apply 和 Close18按钮。C）打开残差图。操作：solveMonitorsResidual打开残差设置对话框，选择 Option 下面的 Plot，以在计算时能够动态的显示计算余差。并将 Convergence 下面对应的数值均为 00001
16、。D）开始迭代操作：SolverIterate在 Number of Iteration（迭代次数）文本框中输入 2000。单击 Iterate 按钮开始计算。结果如图 4.19 所示。图 4.19 垂直轴风力机的数值模拟五、结果分析与总结1、NACA4412 翼型周围流场分析显示单叶片的压力分布和速度分布。19方法：Contours 面板打开，在 Options 下加选 Filled；在 Contours Of 下拉列表框中依次选择 Pressure 和 Velocity，结果如图 5.1 和图 5.2 所示。（a）压力分布图 （b）压力分布图（局部放大）图 5.1 单叶片在流场中的压力分布
17、图（a） 速度分布图 （b） 速度分布图（局部放大）图 5.2 单叶片在流场中的速度分布图由图 5.1 可以看出，在翼型上下表面有两个等压环，其中下面的等压环值要大于上面的等压环值。由图 5.2 可以看出，在翼型周围并无失速现象产生，即翼型周围无分离涡出现，说明其气动性能较好。2、垂直轴风力机模拟分析(1)显示压力分布图在 contours Of 下拉列表框中选择 Pressure，结构如图 5.3 所示。由图可以看出，叶片处压力波动较大。20（a ）压力分布云图（b）压力分布等值线图图 5.3 压力分布图（2）显示速度分布图在 Contours Of 下拉列表框中选择 Velocity，结构
18、如图 578 所示。由图 578 可以看出，垂直轴风力机叶片所在的圆域速度较大，向区域内外速度逐渐减小，中心处速度为0。叶片所在的圆域速度变化较大。 21（a ）速度分布云图（b）速度分布等值线图5.4 速度分布图(3)显示速度矢量图。 打开 Vectors 设置对话框，在 Style 下拉列表框中选择 arrow(箭头) ；在 scale 项，将比例因数增加到 3：增大 skip 值为 3；单击 Display 按钮，结果如图 5.5 所示。22图 5.5 速度矢量图根据以上计算机模拟三叶片垂直轴风力机，对风力机周围的区域的流场有了定性的了解，不仅可以用于不同类型的翼型性能的比较，而且为今后
19、进一步研究和改善风力机的设计打下了基础。六、软件学习心得经过了近期对于 fluent 和 gambit 软件的学习，基本上了解了 gambit 划分网格的过程与fluent 计算的原理。在了解了之后，才真正意识到这个软件功能的强大。我们平时生活中的很多问题，都可以在软件中建模，并且分析得到接近于实际的结果，还可以生成直观的云图，等值线图等，方便我们去了解分析整个流体运动的过程。在整个学习的过程中，还是遇到了不少的麻烦。开始对于 gambit 与 fluent 不熟悉，总是不能够适应 gambit 的绘图方式与 fluent 简洁的界面。在自己进行实例计算的时候，也总是出错，比如网格划分的不够细
20、致导致残差图不能收敛，出人边界定义错误导致整个计算的错误等等。不过学习就是一个不断出错不断纠正的过程，在经过一次次解决问题之后，不仅加深了对于错误处的印象，而且渐渐的也对于软件更加了解和熟悉。经过制作这个大作用，更是将 gambit 与 fluent 应用于实际，对自己近期的学习做一个总结。最后，感谢马培勇老师开设的工程计算方法及应用软件这门课，从这门课中学习到不再是课本上枯燥的公式，而是一个非常有用的软件，对于我们将来的就业与发展起到23了很大的作用。当然，我们知道，这只是一个开始或是引导，以后需要学习的东西更多，这门课程不仅仅是教给我们一个软件，更是交给我们一个课本之外更广阔的的学习空间。
