[发明专利]一种风力机结冰数值模拟方法

摘要

本发明涉及风力机测试技术领域，公开了一种风力机结冰数值模拟方法，在动量‑叶素理论模型框架下提出了基于粘性无粘耦合及浸入边界方法的覆冰风力机准三维计算模型；粘性无粘耦合方法对于附着流条件下的翼型扰流问题，具有计算效率高、计算结果准确的特点；基于正交笛卡尔网格的浸入边界方法，可以在避免网格重构的同时兼顾流动分离计算的准确性。本发明的覆冰风力机三维计算模型依托动量‑叶素理论模型分析，将三维风力机结冰问题化解为沿展向不同位置的二维翼型结冰问题，在此基础上充分结合粘性无粘耦合方法及浸入边界方法的优势，实现风力机结冰的准确、高效模拟，为覆冰风力机的工程分析奠定重要的基础。

主权项

1.一种风力机结冰数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：获取风力机外形参数，及流场工况(入流风速、风向、风剪切剖面、湍流度等)，通过动量叶素理论模型计算，获得光滑叶片沿展向不同二维翼型截面位置处的攻角α及相对入流速度V_rel分布；其中，V为水平自由来流速度，Ω为风力机旋转速度，r为当前翼型截面的展向位置，为当前翼型截面的扭角。a和b分别为轴向和周向诱导因子，可通过经典的动量‑叶素理论模型计算得出；S2：根据S1中计算出的当地二维翼型截面的入流风速和迎角，利用粘性无粘耦合模型计算当地二维翼型的流场解u、v：其中μ为偶极子强度、σ为点源强度、r为速度势、n为几何形面的法向量，S_b和S_w固壁和尾涡几何形面，s为面积；其中φ为流场中的速度势，S3：判断S2中计算是否收敛，若收敛则利用二维翼型的流场解u、v开展后续计算，否则采用浸入边界数值计算模型，求解二维翼型的流场解u、v，计算公式为：其中为速度向量、t为时间、ρ为流体密度、p为压力、μ为流体动力粘度，f为固壁边界的作用力函数；S4：基于S2或S3的计算结果，根据云雾参数及翼型的几何外形，计算液滴在当前二维翼型截面内的运动轨迹，计算公式如下：其中C_d为球形液滴假设条件下的阻力系数；为液滴惯性参数；为液滴相对速度雷诺数；为液滴相对于空气的无量纲运动速度；分别为无量纲形式的液滴x、y向的速度分量及无量纲时间；u_d、v_d为液滴x、y向的速度分量；V_∞为无穷远来流速度；t为时间变量；c为翼型弦长；ρ_a、ρ_d为空气和液滴的密度；g为重力加速度，α为当前翼型的迎角。根据液滴轨迹计算结果可以求得当前翼型的收集系数β为其中ds_∞为无穷远来流中的相邻液滴在当前二维翼型截面内的几何间距，ds_i为该相邻液滴撞击在翼型表面撞击点的几何曲线间距。S5：根据S4的计算结果，利用经典Messinger模型进行当前二维翼型的结冰计算，获取翼型曲面上不同位置的结冰冻结因子f_r。当前曲面位置的结冰厚度h_i的计算公式为：其中dl_i为当前计算单元的曲线长度；LWC为空气中的液态水含量；h_c为对流换热系数；R为气体常数；C_p为空气的定压比热容；ρ_a为空气密度；L_e为刘易斯数(Lewis Number)；p_sat为饱和蒸气压；T_s和T_∞为当前控制单元及无穷远来流的温度；S6：根据S5的计算结果，在获取了冰形厚度分布后，更新覆冰翼型的几何外形，并基于S2和S3中的方法进行覆冰翼型的流场计算，获得覆冰翼型的气动力系数，实现覆冰翼型的气动性能评估。