fluent设计实例-风力发电机叶轮选择分析

1、今航工，大孝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班指导老师马培勇目录、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 23一、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，全球的风能约为 2.74X

2、10A9MW,其中可利用的风能为 2X10MW,比地球上可开发利用的水能总二、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,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（包括尾舵卜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

3、）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（如碳名 f 维）来制造。图 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。兴趣的是如何利用风来发电。图 1.2 翼型相关概念示意图尺寸为下表:高度（m）半径（m）叶片弦长（m）8.44.212、数学方程描述控制方程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:Q=q1,q2.,q6Q=q1,q2.,q6T T, ,F Fi 为

4、对流通矢量，D 为粘性矢量，S 为源项，具体为:其中:二维可压缩雷诺平均其中，E=e+u1u2/2+k 和 H=h+u1u2/2+k 分别是滞止内能和滞止烙，k 是湍动能。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，Q=q1,q2.,q6Q=q1,q2.,q6T对于连续方程、二维动量方程、能量方程、低雷诺数双方程湍流模型 6 个方程，J 为坐标变换 Jacobian 行列式。F Fj为对流通量矢量，D 为粘性项，S 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

5、值，并将数值导入 Gambit 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MeshFacesApply 口嗝则Scfrerre;Elements:Type二lcl=l3=s:!E!slHI;ll:;si!sE3llKl=lcl=l3=s:!E!slHI;ll:;si!sE3llKl=“lllIBgHls;iBIH0ls;illlls;llllsaIHIBBKUl=1LHH!3HHH-X普!ll5Hall:Ed;8EU;aIz!39i;”安睛虱SE:“瑞溶缠”:;=Ksslaa:!:WEBSK

6、sslaa:!:WEBS“黑 :“:!SK;:!SK;:!羁is!:!:居修鹃:H;is!s:uBB*QaH11I111!II!I1!I11111SBHas;:KKE!;:KKE!黠BKESfuussESEXESuuBKESfuussESEXESuu3 3E!n!an!umB!I9IHaI1111IBHBBBHBHBmH11111111I!II11I!I111:!2aa!s!usB!;:nsBX!;s:!2aa!s!usB!;:nsBX!;s03!:混:!:;:盟盘蜜mk!:53:选那错就迎噩密撰糕选鹃挝!E:EEK%:y9E:DC:;:戢01:!蔻著匿品:瞿IIIlliillllIMIHul

7、iB一lfflllslirlllIlllgsBllllllIltBBi弱段maasIHiIHi群器猾IDIE!FRHBHQEI=l3l3n!EIEIDIE!FRHBHQEI=l3l3n!EIE”. .!i:EI:yll!i:EI:yll”：=l*llIIllII=l*llIIllIIulas”.l?Ea=QDMHMSn=DSQn-ES?Ea=QDMHMSn=DSQn-ES郊 am 界WApplyD 响刈|hintervalsize_iOriljons: MB的 RemoveoldmeshJRemovelowermeshJIgnoresizefunctions坪 ply|Ftes-t|aDSQ图

8、 3.4 单叶片的网格划分图 3.3 划分面网格对话框SpecifyB口ur/laryTypesFLUtrjra/6丁些WALL5WALLWALLPRESSURE_OUTVELOCITY_INLE号WALL_JFntity:Ype7I-Ki产RemoveIEdit|Reset|Oose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InletVelocity-inletAC|OutletPressure-outletBDWalllWall叶片的上边线Wall2Wall叶片的下边线 J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

9、导入 Gambit 中。设置边界类Action:AddDeFeteYMocirtyYDeieleall_jShuwlabelsShu，colorsName:|Type;IFa-Namewallwall?wall1ojllelinieJLabel|xianchang-记，本文件舞梯 E1 格式宜看(V)-SBti(H)图 3.1 弦长 1m 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

10、转流场周围。151552529898T&54321OOT&54321OO5 52 21OOOOOOOOOOO1OOOOOOOOOOO00.02710.04890.06690814091909S097S08806595 5250.02390-0.0195-0.0249-0.0286-0.0274-0,0226-0.018-0.014-0.01-0.0065-0.0039-0.0022000Qaaoooaoaoaaaoaaaoooo划分面网格分别对旋转流场和外部流场划分网格。(b)图 3.3 划分网格设置对话框叵剜则MHh生司向5|暨FHEN国到画奥111和 FTF 口 pp#口门

11、”IirinvMijiian ?K 卬第|?rMnurjLUnu-iUMi：nuwljEacii?#曲Udi.7-pwrt-x-EVU.f-SEe.T:MAh.UfMMii：F”如JRflEEtMEFbJ?ZVHiFAUnrthjgigiiLiarufiEUM片冷灯?141nHl?OHM设置边界类型和区域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(b)图 3.5 设置边界类型n2dgnRt&司MHMrt1白。甲SuicP*MRtprf。耳?QW112MillautlrtinlrtflujdDnUicck

12、口口iukfal-pnEK-MrdlhE.tftErtlAh-B1PMF-HUH,，商j-S.bPMH?h?UUUq-ttardln皿Tftn(n-7-5irtMc-afl1,zx*)-71443-0。1UDllW5tJtltl.:T.-?M4RiAGiNJMfJtt?rA-J咄卜1_的轴iWLibNunfactwej?HE!ChKfe-hngnunbe-r*fnadrspt*C11UChrcHngnurtrr3*-acrspe-CCllr?ZhKfriingttireHpa-Lntpr9,EhKkbngiiURkpra-l心911GprtalUO.thtCLGngE33C-fel_ChKil

13、inqbi-idgtF-acdts.ChKfelngright-hMdedcrlliuChKk-ingFJSPihiMdednrss.?ZhpcfrLngfrfrpnadvarrlpr,.ChKk.lirigMlMHraLuunhiiJAny-GhKLEngbOUFiOlrjt9pSLChKiinqfacttlErS-ChKt-kngpriiDdlcbaundjrtf-s-Chrci-ingnodrcwat?ZhncbalingniiKnlw1Kmin，Ull-L：dLlll|uiihulw13匕*uuunE.ChKLing亡。oilid尸。n_ChKiilinqcfllt ndruChKft

14、-hngQM1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(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 DenslyBased。同时，由于空气流速大，故选用 k-epsilon 湍流模型。图 4.3 展示网格图 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 BoundaryCondition 设置对话框，如图 4.6 所示。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

15、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 VelocitySpecificationMethod（速度给定方式）下拉列表中选择 Magnitude,NormaltoBoundary（给速度的大小，速度方向垂直于边界）。C）在 VelocityMagnitude（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。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 Set 按钮，打

16、开 PressureOutlet 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。(3)进行求解A)求解参数的设置操作：SokeControlsfSolutionControls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：SolverInitializefInitialization打开 SolutionInitialization 对话框，如图 4.10 所示。在 Computerfrom 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。图 4.10 流场初始化对

17、话框C)打开残差图操作：SolvesMonitorsfResidual打开对话框如图 4.11 所示，选才 iOption 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 NumberofIteration（迭代次数）栏中输入 1000。单击 Iterate 按钮开始计算。皿-?0 刘卸却 m叩|却 wm?Ds2WMsritom或次dRsdugXn21.2014FLUENT3(2(1,dbfisiirfi.akeK图 4.12

18、 单叶片残差图E）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。选择计算模型。A）设置求解器。操作：DefineModelssolver打开 Soker 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：DefineOperatingConditions保留默认设置。设置边界条件。操作：DefineBoundaryConditionsA）设置 fluid-1 流体区域的边界条件。打开 BoundaryConditions 设置对话框，如图 4.14 所示。图 4.13 求解器设置对话框图

19、4.14 边界选择对话框fluid-1 为叶轮所在的旋转流场，因此要设置旋转速度。在应的边界条件类型为 fluid,然后单击 Set 按钮才 T 开 fluid-1 边界条件设置对话框，如图 4.15所示。在 Motion 对应的 MotionType 下选择 MovingReferenceFrame,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 RotationalVelocity 项对应的 Speed中输入 8.9。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

20、 Zone 下面选择 fluid-inner,对应的边界条件类型为 Wall,界条件需要改动为 interfaceoD）设置fluid.outer 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 interfaceoE）设置 fin 的边界条件。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 WallMotion 下面选中 MovingWall,说明它是运动的。在此时展开的 Motion 对应项中

21、选中 Rotational,表Zone 下面选择 fluid-l,它对明是转动。如何转动可以选择 RelativetoAdjacentCellZone,此时 Speed 后面的数值为 0。以上设置就说明叶片是与以 8.9rad/s 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 GridInterface 中输入交界面的名称 interface:在Interfacezone1 下面选中 fluid-inner,在 Interfacezone2 下面选中 fluid-outero单击 Create 按钮创建交

22、界面，通过这个交界面，fluidl 和 fluid2 中的数据就能交流了。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：SokefControlsfSolution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 Computefrom 为 AllZones,依次单击 Init、Apply 和 Close 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

23、值均为 0.0001。D）开始迭代操作：SolverIterate在 NumberofIteration（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。方法：Contours 面板打开，在 Options 下加选 Filled;在 ContoursOf 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。(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图Scal

24、edResidualsJun22.2014FLUENT6.3(2d,pbvis.ske)latoileHOS?DCMtteraticmsResidualsccntmuilyx-wlocRyy-vetocityeosilM工用FL产r(a)压力分布图(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)显木压力分布图在 contoursOf 下拉列表框中

25、选择 Pressures,结构如图 5.3 所示。由图可以看出，叶片处压力波动较大。cfS 肉&Pneaure(pa&cpl)Jun22.2014FLUENT6.3(2d.pbns.ske)(a)压力分布云图2事8船2.206+022086+02办哪1036+0?151e+021琬 哪L迪+次11fl6+0105e+0Z9320+018.1TSH31丁班01(2)显示速度分布图在 ContoursOf 下拉列表框中选择 Velocity,结构如图 578 所示。由图 5.78 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

26、速度变化较大。(a)速度分布云图(b)压力分布等值线图图 5.3 压力分布图ContoursofVHotityM 守加血 de(m/s)2.319+02-1通唯LMs唯1.51&+O21.399+02DfwjiQP9.326+0117B+017.026tQ1?乱则+口147le+Q13.56e+0li341D4011256+011.026+00ContourofStaticPressure(pasial)Jun22.2014FLUENT6.3(2d,ptxis,sks)(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。339e+0ii3.22B+Q13.0&B+0128fte+0l2716+012XMQi2.37B+0122te+01203e+0li1.3Se+011碗 如1520+m13Ge+011.19e+01i1.K9+01847”卸a.7Be+0D5OfleiOG3.3S6+00?.FOe+OO56BO.03.VetocrtyVectorsColoredByVetacrtyMagnhude(ms)图5.5