一种基于流固耦合模拟的光伏支撑系统风振计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及计算机数值模拟及CAE领域，特别设及一种基于流固禪合模拟的光伏 支撑系统风振计算方法。
【背景技术】
[0002] 由于全球石油、煤炭越来越接近枯竭的严峻能源形势和污染日趋严重、气候日益 变暖的生态环境压力，W及太阳能光伏发电技术的不断进步，世界很多国家和政府相继出 台扶持政策，鼓励和支持太阳能发电。在太阳能光伏电站项目中，电气一次设备、二次设备 成本相对固定，光伏支撑系统的设计是决定可变成本的主要因素，对光伏支撑设计起控制 作用的工况是风荷载，准确计算光伏支撑系统的风振特性，可在保证光伏支撑系统刚度、强 度、稳定性的前提下，优化支撑系统经济指标，对光伏行业的健康发展具有重要的意义。
[0003] 现有的光伏支撑系统计算多为静力计算模型，无法准确考虑支撑系统在实际风脉 动环境下的风振响应，造成支撑系统成本较高。
【发明内容】
[0004] 基于此，本发明公开了一种基于流固禪合模拟的光伏支撑系统风振计算方法，包 括如下步骤：
[0005] S100、建立几何模型；建立光伏支撑系统流体域和固体域的几何模型；
[0006] S200、网格划分；分别对流体域和固体域进行网格划分；
[0007] S300、建立数值模型：根据流体域和固体域的网格划分结果建立流固禪合算法数 值模型；
[000引 S400、设定参数；设定流体域和固体域的材料参数，初始条件和边界条件；
[0009] S500、求解风振响应：将所述材料参数、初始条件和边界条件代入所述数值模型 中，采用数值模拟方法求解得出风振响应；
[0010] S600、根据风振响应确定光伏支撑系统风振系数及响应的主频范围，并用于光伏 支撑系统的设计。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明的一个实施例中生成的风速时程图及模拟的风速谱与目标谱的对 照；其中图1(a)为生成的风速时程图，图1(b)为模拟的风速谱与目标谱的对照图；
[0012] 图2为本发明的一个实施例中地面光伏电站中组件阵列的几何模型；
[0013] 图3为本发明的一个实施例中光伏支撑系统位移云图；
[0014] 图4为本发明的一个实施例中光伏支撑系统立柱顶点的位移时程图；
[0015] 图5为本发明的一个实施例中光伏支撑系统斜撑的轴力时程图；
[0016] 图6为本发明的一个实施例中屋顶光伏电站几何模型；
[0017] 图7为本发明的一个实施例中流体域几何模型；
[001引图8为本发明的一个实施例中流体域网格图与固体域网格图；其中图8(a)为流体 域基于有限体积法的计算网格，图8化）固体域基于有限元法的计算网格；
[0019] 图9为本发明的一个实施例中固体域位移云图；
[0020] 图10为本发明的一个实施例中支撑系统顶部某一点的位移历程及其功率谱密度 曲线；其中图10(a)为支撑系统顶部某一点的位移历程曲线，图10(b)为支撑系统顶部某一 点的功率谱密度曲线。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合【具体实施方式】对本发明一种基于流固禪合模拟的光伏支撑系统风振计 算方法的实施方式进行进一步说明。应当理解，下述所有实施例只是本发明的实现或者优 选实现方式之一，本发明并不局限于所述实施例。
[0022] 在一个实施例中，本发明公开了一种基于流固禪合模拟的光伏支撑系统风振计算 方法，包括如下步骤：
[0023] S100、建立几何模型；建立光伏支撑系统流体域和固体域的几何模型；
[0024] S200、网格划分；分别对流体域和固体域进行网格划分；
[0025] S300、建立数值模型：根据流体域和固体域的网格划分结果建立流固禪合算法数 值模型；
[0026] S400、设定参数；设定流体域和固体域的材料参数，初始条件和边界条件；
[0027] S500、求解风振响应：将所述材料参数、初始条件和边界条件代入所述数值模型 中，采用数值模拟方法求解得出风振响应；
[002引 S600、根据风振响应确定光伏支撑系统风振系数及响应的主频范围，指导光伏支 撑系统的设计。
[0029] 本实施例所公开的计算方法，首先建立流体域和固体域的几何模型并给定初值和 边界条件，之后建立数值模型。所述的计算方法W完备的理论模型和数值模型作为基础，综 合考虑光伏风环境中的非定常因素，通过数值计算来实现光伏支撑系统时程响应的计算， 与实际环境相符，在实际中容易操作，可用于光伏阵列支撑系统的设计，大大降低了光伏电 站投资成本。
[0030] 本实施例中所述的几何模型为光伏支撑系统流体影响域范围内的几何模型和支 撑构件的几何模型。
[0031] 在一个实施例中，所述步骤S200网格划分中的网格类型包括流体域的结构化网 格；固体域的四面体网格、六面体网格和梁单元网格。
[0032] 进一步的，本实施例中流体域采用结构化网格划分，具体为将流体域的几何模型 剖分成若干个具备扫掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，生成流体域的六面体或棱 柱体网格.
[0033] 固体域采用四面体、六面体或梁单元划分；所述六面体具体包括棱柱体等其他六 面体；
[0034] 当所述固体域采用四面体或六面体网格划分时，将固体域的几何模型剖分成若干 个具备扫掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，生成流体域的四面体或六面体网格；
[0035] 当所述固体域采用梁单元网格划分时，通过提取固体域几何模型纵向的形屯、线、 设置网格密度控制数据和局部坐标系，生成梁单元网格。
[0036] 在一个实施例中，所述步骤S400中的材料参数包括；
[0037] 流场域模型中的端流模型参数、平均风速、雷诺数和压强；
[003引固体域模型中的弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、硬化系数和损伤变量。
[0039] 所述步骤S400中的初始条件包括：
[0040] 流体域的初始时刻的风速、空气压强、温度；
[0041] 固体域的初始平衡状态。
[0042] 所述步骤S400中的边界条件和所述几何模型的部位有关，包括流体域的速度入 口边界对应流体域几何模型的进风口部位；
[0043] 具体为所述步骤S400中的边界条件和所述模型部位相关，光伏板及地面（屋面） 为刚性无滑移壁面，流体域内含入口、出口及自由边界，禪合面为可变位无滑移壁面边界， 固体域内含强制位移边界、禪合面压力激励边界及其他自然应力边界。
[0044] 在一个实施例中：所述步骤S300中建立流固禪合算法数值模型包括：
[0045] 流体域采用的N-S方程模型、端流模型、雷诺平均模型或者大祸模拟模型；
[0046] 固体域采用的完全的拉格朗日（TL)模型、更新的拉格朗日扣L)模型、任意拉格朗 日-欧拉（AL巧模型W及相应的动力时间积分格式，其中：动力时间积分格式采用Newmark 法、中屯、差分法或者线性加速度法。
[0047] 本实施例采用流固禪合算法计算脉动风影响下光伏支撑系统的风振情况，从而对 光伏支撑系统的安全性做出判断。
[0048] 在一个实施例中，所述步骤S500中的数值模拟方法包括；
[0049] 流体域采用的有限差分法、有限体积法或者有限元法；
[0化日]固体域采用的有限元法。
[0化1] 在一个实施例中，公开了某光伏地面电站光伏阵列支撑系统风振计算的步骤：
[0化2] 1)建立几何模型
[0化3] 建立光伏阵列流体域和固体域几何模型，模型如图2所示。其中，光伏组件固 体域的几何尺寸；21mX3. 43mX0.1 m，安装倾角25。，底部距地面高度0. 5m，光伏板间距 5. 983m，流体域的几何模型大小为；45mX13mX 5m ;光伏支撑立柱前后间距2. 32m，纵向间 距2. 50m，组件支撑標条最大间距1. 02m。
[0054] 2)进行网格划分
[0055] 流体域采用结构化网格划分，具体为将流体域的几何模型剖分成若干个具备扫 掠特征的子特征，设置网格密度控制数据，基于扫掠特征生成流体域的六面体或棱柱体网 格；
[0化6] 固体域采用六面体（例如，棱柱体）和梁单元划分；具体为六面体（例如，棱柱体） 网格划分方法与流体域的划分方法相同，梁单元网格通过提取固体域几何模型纵向的形屯、 线、设置单元密度控制数据和局部坐标系生成。
[0057] 如建立数值模型
[0化引本发明采用流固禪合算法计算脉动风影响下光伏支撑系统的风振情况，从而对光 伏支撑系统的安全性做出判断。
[0化9] 流体域计算模型
[0060] 采用可压缩流的大祸模型（LE巧模拟空气流动，对N-S方程进行空间滤波和化vre 滤波，得到流体域计算模型的基本方程：
[0064] 式中，P为空气密度，T W为流体应力张量的切向分量，U i (或up为速度张量，Xi 与Xj.为节点坐标，f i为体积力，P为流体正应力张量，R为特定气体常数，T为气体温度；T j,, SCS为亚格子应力张量，由下式计算：
[0065] T凡側二-戶(L'3 + C'；/ +民z)')
[0066] 式中，L。.为Leonard项，C U为交叉项，R U为亚格子Reynolds项。
[0067] 固体域计算模型
[0068] 采用完全拉格朗日模型（TL)和Newmark隐式时间积分格式构造平衡递推关系 式：