[发明专利]一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法

说明书

本发明公开了属于风力发电仿真实验技术领域的一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法。包括步骤1：构建海上风电机组平台运动模型；步骤2：对流体域划分多计算域非结构滑移网格，构建多自由度流体计算域；步骤3：在风轮旋转域设置动网格；步骤4：设置进出口边界条件，编写平台运动UDF，再设置风轮相对平台运动旋转和流体域耦合面；步骤5：进行叶片建模并对叶片进行有限元网格划分，置固体域耦合面；步骤6：进行双向耦合计算；步骤7：对平台运动的不同振幅、频率进行组合。本发明解决了叶片弹性形变过程中流场网格发生大变形导致计算发散的问题，对提高机组的设计水平和优化风电机组控制策略具有重要意义。

技术领域

本发明涉及风力发电仿真实验技术领域，尤其涉及一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法。

背景技术

随着国家能源转型，风电作为清洁的可再生能源，具有大规模的开发潜力。其中海上风电相较于陆上风电，不受地形限制，并且拥有更丰富的风资源和稳定的风况。随着海上风电向深远海域的扩展，漂浮式基础以其成本优势成为海上风电机组的选择，并且单机发电量逐渐提高，风电机组向大型化发展，叶片长度不断增加。在叶片正常旋转时，受到来流风的作用，大型化叶片会发生弹性形变，对机组总体性能与工作寿命产生影响。海上漂浮式风电机组还存在六自由度的平台运动，叶片除了自身的旋转，还要与平台一起运动，使风轮平面与来流的相对速度以及截面翼型的攻角不断变化，导致风轮的气动、气弹特性变得更加复杂。

一般的基于叶素动量理论(BEM，Blade Element Method)、自由涡方法(FVM，FreeVortex Method)与几何精确梁耦合求解的方法无法获得风电机组复杂的三维流场细节，只对风电机组做计算流体力学(CFD，Computational Fluid Dynamics)研究，无法探究叶片气弹这一重要因素对流场和总体性能的影响。现有的气弹研究没有考虑平台运动，而且基本上都是基于动网格，存在平台运动时，网格变形大，容易发散。针对上述问题，需要一种基于多滑移网格与动网格考虑平台运动的海上风电机组叶片气弹计算方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于多滑移与动网格的漂浮式风电叶片气弹计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建海上风电机组平台运动模型，根据振幅和频率简化为周期性运动；

步骤2：对流体域划分多计算域非结构滑移网格，使用滑移网格连接构建多自由度流体计算域；

步骤3：在风轮旋转域设置动网格；

步骤4：整个计算域设置进出口边界条件，编写平台运动UDF，再设置风轮相对平台运动旋转和流体域耦合面，并选择湍流模型进行计算；

步骤5：使用铺层方法进行叶片建模并对叶片进行有限元网格划分，在轮毂处施加约束，设置固体域耦合面；

步骤6：调用结构求解器和流体求解器进行双向耦合计算；

步骤7：对平台运动的不同振幅、频率进行组合，得到在不同平台运动下的机组总体性能与叶片气弹特性。

所述步骤2中的多计算域非结构滑移网格包括：远场域、平台平动域、平台角运动域和风轮旋转域。

远场域、平台平动域和平台角运动域使用结构化网格或非结构化网格，风轮旋转域使用非结构化网格。

所述步骤3具体包括如下子步骤：

步骤31：在叶片形变时，使用扩散光顺方法保持叶片附近的网格质量，并且把网格变形扩散到远离叶片的区域；

步骤32：设定风轮旋转域内流体网格的扭曲率和最大与最小尺寸阈值，使用网格重构方法，标记扭曲率和最大与最小尺寸阈值之外的网格，并且重新划分成设定阈值以内的网格。

所述步骤4中的进出口边界条件包括额定风速进口条件和标准大气压出口条件。