一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法与流程

本发明属于风力机叶片设计领域，特别涉及一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法。

背景技术：

1、风力发电机是将气流的动能转化为机械能最终转化为电能的主要动力机械。典型的三叶片水平轴风力机基本构造，大致可分为4个部分：风轮、机舱、塔架以及基础。其工作原理是，风轮在风力的作用下旋转将风的动能转变为传动轴的机械能，然后传动轴通过机舱内齿轮箱变速带动发电机发电。其中风轮是风力机最重要的部分，它的主要作用是将气流中的动能捕捉转化为机械能。根据贝茨理论，风能转化为机械能的转化率，即风能利用率的理论最大值为0.593，这是在完全没有损失的理想条件下，然后实际值小于0.5，叶片气动损失是导致风能利用率降低的原因。

2、目前分析气动损失，主要是基于叶素理论和叶素动量模型，理论基于准定常假设，假设叶片数为无穷多，气流在叶素(叶片上每个单元)上的流动为定常，且诱导速度是均匀的。将叶片沿其长度方向分割为n等分，假设每一份叶素dr翼型一致，通过实验室测得的气动力系数计算得到每一份叶素的上所受气动力。由于叶素理论的局限性，众多学者提出了修正模型，包括尾流模型、偏航修正模型和动力失速模型等等，各模型都从各自的角度完善了叶素理论，但仍不能完全描述气动损失。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法。在风力发电机转动的过程中，实际的流动系统中总是伴随着分离、旋涡流动等不可逆因素，促使机械能耗散为其他形式的能量，转换为不可用的能量，成为有效能损失。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的：

3、一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，具体步骤包括：

4、步骤1、首先进行风力机叶片流场模拟和流固耦合模拟仿真，得到流场域内的流速分布；

5、步骤2、构建有效能平衡分析模型，有效能损失i的表达式如下：

6、

7、式中：

8、t0为环境温度，s1为进口处出工质的熵，s1为出口处工质的熵；

9、h1为进口工质焓值，cf1为进口工质宏观流速，进口处工质携带入的能量为焓和动能之和，即h2为出口工质焓值，cf2为出口工质宏观流速，出口处工质携带走的能量为焓和动能之和，即wi为对外做出内部功；为进口处工质携带入的有效能，为出口处工质携带出的有效能；

10、步骤3、根据步骤1得到的流场域内的流速分布，分别计算风场中的焓值、熵值和动能以及风力机的做功情况；

11、步骤4、根据步骤2构建的有效能平衡分析模型结合步骤3的结果，计算出来的有效能损失来描述叶片的气动损失。

12、本发明进一步的改进在于，步骤1中，流固耦合模拟采用动网格技术。

13、本发明进一步的改进在于，动网格技术选定初始网格、边界运动的方式，并指定参与运动流场区域，采用边界型函数定义边界运动形式，选择动网格更新模型确保网格在模拟的过程中实时更新。

14、本发明进一步的改进在于，动网格技术选定初始网格、边界运动的方式，并指定参与运动流场区域，采用udf定义边界运动形式，选择动网格更新模型确保网格在模拟的过程中实时更新。

15、本发明进一步的改进在于，步骤1中，流场域的尺寸针对风力机高度要求为：(1)风力机距流域入口距离大于四倍风力机高度；(2)风力机距流域出口距离大于四倍风力机高度；(3)流场域的宽度和高度大于两倍风力机高度。

16、本发明进一步的改进在于，步骤1中，根据要求建立设定尺寸的长×宽×高的空间体作为固定计算域，并将包含叶片在内的圆柱状区域作为转动计算域。

17、本发明进一步的改进在于，采用四面体网格和六面体网格为主的结构和非结构化网格作为计算网格。

18、本发明进一步的改进在于，步骤2中，t0为环境温度即风场的温度。

19、本发明进一步的改进在于，步骤3中，利用积分工具计算得到风场中的焓值、熵值和动能。

20、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

21、本发明提供的一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，从有效能平衡分析出发，宏观上考虑了在风力发电机转动的过程中实际流动系统中的分离、旋涡流动等不可逆因素，使得机械能耗散为其他形式的能量，有效能转换为不可用能，成为有效能损失，从而以有效能损失来描述风力机叶片气动损失。具体的，有效能分析方法的基础是有效能平衡方程，有效能是能量本身的特性，系统具有能量的同时具有有效能，工质携带能量或传递能量，同时也携带有效能或传递有效能。任何不可逆过程的发生，系统中都会出现有效能损失，系统有效能平衡方程的建立可参照能量平衡方程建立的方法，但需要增加一支出项——有效能损失。

技术特征：

1.一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，具体步骤包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，步骤1中，流固耦合模拟采用动网格技术。

3.根据权利要求2所述的一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，动网格技术选定初始网格、边界运动的方式，并指定参与运动流场区域，采用边界型函数定义边界运动形式，选择动网格更新模型确保网格在模拟的过程中实时更新。

4.根据权利要求2所述的一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，动网格技术选定初始网格、边界运动的方式，并指定参与运动流场区域，采用udf定义边界运动形式，选择动网格更新模型确保网格在模拟的过程中实时更新。

5.根据权利要求1所述的一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，步骤1中，流场域的尺寸针对风力机高度要求为：(1)风力机距流域入口距离大于四倍风力机高度；(2)风力机距流域出口距离大于四倍风力机高度；(3)流场域的宽度和高度大于两倍风力机高度。

6.根据权利要求1所述的一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，步骤1中，根据要求建立设定尺寸的长×宽×高的空间体作为固定计算域，并将包含叶片在内的圆柱状区域作为转动计算域。

7.根据权利要求6所述的一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，采用四面体网格和六面体网格为主的结构和非结构化网格作为计算网格。

8.根据权利要求1所述的一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，步骤2中，t0为环境温度即风场的温度。

9.根据权利要求1所述的一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，其特征在于，步骤3中，利用积分工具计算得到风场中的焓值、熵值和动能。

技术总结
本发明公开了一种基于有效能分析的风力机叶片气动损失方法，属于风力机叶片设计领域。本发明首先进行风力机叶片流场模拟，对常规风力机叶片流场模拟的基础上进行流固耦合模拟仿真，构建有效能平衡分析模型，基于叶片流场模拟和流固耦合仿真的结果，分别计算风场中的焓值、熵值和动能以及风力机的做功情况，计算得到有效能损失，判断该风力机叶片的气动损失。

技术研发人员：张纯,韩煜航,吴家荣,李凯伦,张一帆,李红智
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15