均方误差 建模和模拟在工程 1687 - 5605 1687 - 5591 Hindawi 10.1155 / 2018/2536897 2536897 研究文章 完整的顺风涡轮机模拟使用致动器行方法 Matiz-Chicacausa 一个。 1 http://orcid.org/0000 - 0001 - 6795 - 9396 洛佩兹 奥马尔·D。 2 邓 Ming-Cong 1 大学de San合资伙伴 Cra 8 h 172 - 20 波哥大 哥伦比亚 usb.edu.co 2 安第斯大学 Cra 1 18号一个-12年 波哥大 哥伦比亚 uniandes.edu.co 2018年 2 5 2018年 2018年 29日 12 2017年 19 03 2018年 2 5 2018年 2018年 版权©2018 A。Matiz-Chicacausa和奥马尔·d·洛佩兹。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

在目前的工作动线(AL)技术模型提出了一个完整的风力涡轮机(转子和塔)在顺风配置。使用的案例研究是实验流体力学(UAE)第六阶段涡轮在捕捉分析其适用性塔阴影效果。计算流体力学(CFD)模拟进行了使用开源代码OpenFOAM和水平风力涡轮机的类从工具箱中SOWFA开发的国家可再生能源实验室(NREL)。当前工作的目的是验证使用阿尔塔模型模拟和建立这种简化是否有效捕捉塔阴影产生的作用在转子动力学和来验证该模型的准确性预测转子的负载。计算是先做一个孤立转子建模与AL技巧;第二个充满顺风涡轮机AL转子和塔;最后,在3 d转子阿尔塔。数值结果显示良好的协议与实验数据得出结论,模型能够快速和准确的负荷预测在一定条件下。

 轮机仿真、软件开发和空气动力学的弗劳恩霍夫iw研究所 1。介绍

使用可再生能源供应越来越需求的能源在世界各地似乎在不久的将来趋势。风能和太阳能等替代能源是一种可持续的关键的进步方式。风力涡轮机的快速增量的大小和与它相关的复杂性日益增长的原因需要高度可靠涡轮日常电力变换的能量来源。风力涡轮机的大小取得如今的要求更精确的设计模型,以避免昂贵的维护成本,在一些地点和季节是不可能的。

此外,目前的设计模型仍很大不确定性是因为几个现象产生的三维效果,不稳定的影响,de-attached流效应(停滞),和塔的影响( 1]。出于这个原因,风能产业需求是明确的:可靠、准确、可负担得起的设计模型,提高了预测的负载在风力涡轮机的操作。这仅仅是可能通过理解背后的生理效应这些机器的操作和状态。

一直在努力提供更好和解释数据的影响风力发电机轴承在球场上。2001年NREL邀请几个来自不同机构的专家参与的盲测负载和性能预测的检测风力涡轮机是nasa艾姆斯风洞测试受控条件下( 2]。计算结果参与者不同意和预测显示精度的一个重要不足。此外,参与者的不同代码的应用程序之间的差异被发现( 3]。

目前,风力发电机的空气动力学造型范围从基本的叶片元素和动量理论(BEM)涡后数值模拟方法用于求解navier - stokes方程。虽然工程模型是目前最常用的负荷预测方法,数值模拟已成为一个非常有用的工具,可以得到一个深刻的洞察力和物理现实和解释性涡轮流场的可视化。

另一方面,数值模拟需要大量的计算资源(内存和仿真时间);相关的数值问题和现象模拟的复杂性导致了开发基于致动器的简化模型,捕捉风力涡轮机的本质行为降低了计算成本。虽然这些模型不详细描述背后的潜在物理操作;他们足够精确建模一个特定的现象。致动器,例如,可以用来作为一种工具来预测汽轮机的运行参数,设计成为一个快速和容易的方法。

致动器行(AL)模型是一种技术,身体力量和分布式计算沿着一条线代表实际的叶片几何形状,能够解决技巧和根漩涡和模拟流的动态结构 4];因此信息后可以获得结构和流体动力学使用简单的几何图形和网格。

研究使用AL模型通常直接分析醒来和偏航提示漩涡和nonyawed发电机负载通过使用几种湍流模型,跑,巨蜥,莱斯 4- - - - - - 8例如,]。这种技术已经被用于预测风力涡轮机相比,电力生产和磁盘驱动器已经部署好协议;此外,最佳实践的使用是试图实现( 9];数值测试,以确定网格密度和力分布(方法)的重要参数准则使用无限和有限的跨度机翼已经完成( 10]。所有这些研究已经证明艾尔后分析模型的准确性和令人满意的性能 11, 12),因为它解决了之后速度概要文件。

然而,关于使用和指导方针与模型相关参数的影响还没有被发现和一个更详细的分析是必要的。此外,它需要分析塔和发动机舱的实现及其影响涡轮的预测能力,力量,和后配置文件( 12]。

领域的风力发电机,叶片设计更灵活和更轻的可能性和操作涡轮自由偏航的优势,现在顺风涡轮机( 13]。然而,尽管逆风已经成为主要的配置顺风涡轮机已经分开由于领导,低频噪声与叶片之间的相互作用,通过塔后和所谓的塔影效应。

当前工程模型塔的影子是基于半经验的方法后必须提前知道宽度和幅度;此外,他们认为塔后的平均意义上不包括塔涡旋脱落产生的非定常效应可能引起大的波动负载( 13]。

塔的存在引起的不稳定行为流模型必须考虑;出于这个原因,塔相互作用的研究已经完成使用不同的技术来处理转子和塔之间的相对运动,如滑动网格( 14)、动态网( 15),打翻或妄想网格。此外,潜在的流模型试图模型塔和它周围的流 16解决与n - s)和一些解决方案来简化模拟( 17]。

摘要被认为是两个主要贡献:首先是阿尔塔模型的实现风力发电机;其次是一个数值研究的影响两个半岛模型参数(细胞大小和转子地区 ε)的预测全球涡轮的性能。阿尔塔模型的实现不仅包括阻力的影响也是这个力的波动。包括这种效应在低阶模拟顺风风力涡轮机的配置是非常重要的为了正确地捕获塔之间的复杂的相互作用后,转子动力学(塔阴影)。为此,流动的非定常计算NREL阶段VI涡轮模型提出了开源的代码OpenFOAM和结果的完整的涡轮(转子和塔)建模与显示。首先,模拟一个孤立转子和艾尔的参数研究模型来验证预测能力和艾尔的数值参数的影响,并给出了数值结果。第二,艾尔的实现模型来模拟执行塔并与圆柱绕流的模拟。最后,转子之间的交互和塔是作为代表,塔和转子,在顺风的配置。此外,三维转子(包括所有几何细节)模拟执行验证阿尔塔空气动力和力量变化的性能和比较与实验数据完成旨在总结不稳定塔影效应是否成功地捕获通过涡轮上的“技术及其影响的行为。

 2。材料和方法 2.1。实验数据(基本情况)

实验研究了非定常空气动力涡轮(UAE)第六阶段由NREL被选为基本情况。表 1显示了该风力涡轮机最重要的维度模型。

NREL第六阶段涡轮维度。

转子直径 10.058米
中心高度 12.192米
塔直径 0.4米
塔间隙 1.401米

这个实验的目的是获得准确的定量空气动力学和结构数据代表一个风力涡轮机在现场操作,生成一个数据库( 2)致力于研究不同的现象,更好地理解涡轮机的行为,提高了空气动力学模型预测。

几个测量运动进行了测试在不同操作条件下风力涡轮机。使用的涡轮机是5米跨度的两刃的一翼S809,在逆风序列(H)和顺风配置(序列B)。对于那些序列,涡轮是偏航锁在0°和叶尖间距是3°。

数据收集从5米/秒风速25米/秒,在72转的转速。在这项研究中,进行了模拟风速5至8米/秒;对于这些速度涡轮机在层流政权,而从9 m / s涡轮机开始出现失速延迟,影响的范围内分析不是这项工作。在目前的工作,结果与实验数据进行比较在7米/秒,因为在这个速度的涡轮摊位前的最大功率。

数据收集的压力沿叶片30秒的广告。压力阀门被放置在一个叶片的吸力和压力一边五顺翼展方向的位置 r / R = 0.30,0.47,0.63,0.80,和0.95提出了在表 2。

NREL第六阶段叶片弦和捻度分布。

半径[m] r / R ( - - - - - - ] 和弦[m] 转折(°)
1.510 0.30 0.711 14.292
2.343 0.466 0.627 4.7515
3.173 0.631 0.543 1.150
4.023 0.80 0.457 −0.381
4.780 0.95 0.381 −1.469

在这项研究中使用的序列是B和H,顺风与逆风,分别。序列B涡轮3.4°的锥角和偏航角的±180°和叶尖间距是3°。在这部作品中,偏航角保持0°和涡轮是模仿不摇晃和锥进,因为他们的结合导致叶片在塔塔轴平行通道( 15]。序列的H,涡轮与0°刚性锥角。

叶片压力措施收集序列和空气动力计算。涡轮的全面描述和实验[ 2]。

 2.2。计算设置

采用开源代码OpenFOAM所有计算以及水平风力涡轮机的类实现半岛模型包含在模拟器(SOWFA)由NREL风力发电厂的应用程序。涡轮使用AL模型简化为塔,发动机舱被省略,转子是假定为完全刚性固耦合并没有实现。

网格与网格生成工具所提供的OpenFOAM创建结构化网格hexahedra细胞。域的模拟孤立转子如图 1,足以避免边界干扰的矩形10 D( D:转子直径)长度和5 D宽度和高度;转子是放置在入口域长度的1/3。为三维转子的情况下,内部的网格生成自动刀块网格化BBM(由弗劳恩霍夫iw ForWind,奥尔登堡),一个工具基于OpenFOAM blockMesh snappyHexMesh。结果域由1160万个细胞,是圆柱形状,10 D长度和半径为3 D。转子也放置在入口域长度的1/3。

示意图顶视图的域(a)和精致的盒子(b)。

非定常雷诺Averaged-URANS计算进行了使用丘疹算法来解决压力速度耦合方程和湍流的模拟 k- - - - - - ω剪切应力传输模型( 18]。时间步是固定保持条件的致动器行不跨越多个细胞每个时间步根据( 9, 10)是一种限制条件比节能灯= 1。这导致获取CFL数低于0.2的时间步 4 × 10 - - - - - - 3 年代;这同意之前计算报告 10]。转子三维模拟的时间步长 3.23 × 10 - - - - - - 3 s是证明保持稳定的模拟。做的时间离散化二阶隐式向后计划。

在基地的情况下模型空间离散化是由高斯线性插值方案而对三维情况下采用高斯二阶逆风。

边界条件表中列出 3,在那里 我 湍流强度, k 是湍流动能, ω是动荡的频率, l 紊流长度尺度( l= 0.07 D), C μ 实证无量纲常数等于0.09。湍流强度的流入将0.7%作为nasa艾姆斯报道风洞( 2]。

边界条件。

边界 U P K ω
入口 U ∞ d p d y = 0 3 2 U ∞ 我 2 k 3 / 2 k C μ l
出口 d U d y = 0 p ∞ d k d y = 0 d ω d y = 0
地面 0 d p d y = 0 d k d y = 0 d ω d y = 0
顶部和侧面 d U d y = 0 d p d y = 0 d k d y = 0 d ω d y = 0
墙 0 d p d y = 0 0 标准的日志墙函数
2.3。致动器线模型

索伦森提出的模型,和沈 19OpenFOAM-based类)和实现NREL风力发电场的研究( 20.),是一个技术的实际几何叶片被一个虚拟线的身体力量 f 包括navier - stokes方程的源项。 (1) ∂ U ∂ t + U · ∇ U = - - - - - - 1 ρ ∇ p + ν ∇ 2 U + f c , ∇ · U = 0 。

身体力量作用于转子叶片元素的微分计算大小 d v = r d r d θ d z 通过使用叶片元素所示方法是( 2), C l 和 C D 分别的升力和阻力系数, c 弦长, e l 和 e D 表示单位向量方向的升力和阻力。 (2) f = f 2 D d v = 1 / 2 ρ U r e l 2 c C l e l + C D e D r d r d θ d z 。

当地的速度相对于旋转叶片 U r e l 是由( 3), V θ 和 V z 切向和轴向速度在惯性参照系。 (3) U r e l = V θ - - - - - - Ω r , V z 。

为了避免奇异行为 f ϵ 通过形成的卷积计算力 f 和一个正规化的内核 η将高斯分布的形式 (4) f ϵ = f ⊗ η ∈ , η ∈ r = 1 ϵ 3 π 3 / 2 经验值 ⁡ - - - - - - r ϵ 2 , 在哪里 ϵ 是一个常数,调整正则化函数和的力量吗 r 测量的点之间的距离在计算域和点分布在转子的初始力量。

这个模型的主要优势是需要几个网格点捕捉叶片的空气动力学和流体动力学。此外,与其他简化方法相比(磁盘驱动器),致动器线提供流动的动态信息,并允许更详细的研究后的结构和技巧和根漩涡( 9, 12]。然而,边界层流动分离和动态失速现象不能正确模型由于没有捕捉到表面,在叶片表面边界层不解决。

致动器线模型的参数是根据SOWFA开发商为了确保顺利力投影在致动器线( 20.]。在这个模型中,有两个主要参数网格分辨率和内核调节器 ε。关于网格分辨率,通过致动器line-tower细胞大小设置,这样至少有50个网格点;这个值可以确保部队在网格分布均匀。关于正则化参数 ε成立取决于细胞大小,光滑投影的部队叶片/塔宽度必须相关,叶片宽度和细胞之间的比例大小必须近似0.75建议。这个设置的良好的性能是证明在结果显示良好的协议与实验数据 9]。

 3所示。结果与讨论 3.1。与阿尔孤立转子模拟

的基本情况在7米/秒风速选择和实施后,从SOWFA开发者指南 20.]。轴的正方向 x , y , z 根据文献[是面向 21]。细胞大小,整个转子直径至少有50个网格点给一个细胞大小 Δ 年代 = 0.2;然后正则化参数 ϵ / Δ 年代 = 2 ;因此 ϵ = 0.4 。致动器点应该足以预测投影平滑力量;因此他们是设置为 Δ b / Δ 年代 = 0.75 ( 9), Δ b 叶片的宽度。

评估网格独立性,结果基本情况和三个更精致的网格进行了比较。(表提出了网格的特征 4)和细化框所示图的示意图 1(从这一点上,实验数据将由虚线代表人物)。

网格的特征。

细化级别 细胞的数量[M] 细胞大小[m]
基地网 6.1 0.2
第一个盒子 7.4 0.15
第二个盒子 11.7 0.09
第三个箱子 20.1 0.05

与实验结果比较的输出功率在不同风速图中可以看到 2。收敛达到700万的细胞和细胞大小为0.15米。

为不同层次的细化网格和网格收敛风速。

正则化参数设定的力量抹在一个区域代表实际的叶片几何。因此,它应该与叶片特征长度;这是建议在 10, 22]。在目前的工作,提出了选择正则化参数等于叶片的弦;理想情况下,它应该等于当地和弦;然而,这是不可能的,因为模型和计算工具考虑常数沿叶片。的影响 ∈ 已经研究了一个磁盘驱动器 23和致动器行 4, 8),并特别关注流和动态。在这项研究中,该参数选择等于叶片弦上的5部分实验。

图 3显示了良好的法向力系数之间的协议和不同的实验数据 ∈ ;而且结果符合标准偏差。

正常(a)和沿叶片切向力系数(b)。

一些不同的显示的切向力系数(见图 3(一个))。差异是发现特别是在半节叶片的更高的价值 ∈ 。这两种情况下,最好的结果是通过部署 ∈ = 0.38的和弦的尖端。

 3.2。阿尔塔和完整的风力发电机仿真模型与AL(转子和塔)模型

关于模拟与艾尔·塔,实际塔周围的速度场是通过数值模拟二维圆柱绕流的一种。0.4米直径的圆柱体之间5和7米/秒风速模拟。这些条件之间的雷诺数范围 1.3 × 10 5 和 2。6 × 10 5 这是在所谓的临界方案的特点是突然下降背后的阻力系数和紊乱后塔。显著差异被发现在文学,阻力系数值范围从0.3 ~ 1.2,开始滴点之间的雷诺数范围 1 × 10 5 和 3 × 10 5 。

CFD模拟圆柱绕流在7米/秒的风速是为了估计部队和提出一个阿尔塔模型。基于平均阻力和升力系数的阿尔塔模型是实现的。数值结果与报告( 24)和被发现的分歧在速度场和升力和阻力的力量。这种差异有关,该模型使用常量值的升力和阻力系数计算力和这种假设并不生产实际圆柱绕流的不稳定行为。

提出改善阿尔塔模型,源代码修改和升力和阻力系数作为时间的函数所示 (5) C l = C l 0 因为 ⁡ ω t , C d = C d 0 因为 ⁡ 2 ω t 。

这一修改的结果显示相同的升力和阻力的力量获得振荡的CFD模拟圆柱绕流。

比较速度的赤字背后的阿尔塔模型提出了预期赤字缸(CFD),修改后的阿尔塔改善结果对宽度和深度呈现在图 4。这个改善这些参数是重要的赤字是空间的宽度将通过,并将影响转子动力学。

比较速度的下降在1.4后面的塔筒和致动器模拟。

最后,涡轮是完全模拟使用AL模型旨在简化模型的仿真和验证能力代表塔发挥的作用在转子动力学。进化的FFT分析涡轮输出功率预测的基地和实验数据。实验测量采样在520.83赫兹30秒。

功率谱图 5显示30 Hz重要内容和重要级的光谱峰值范围0赫兹到10赫兹。比较致动器线模型和实验数据在7米/秒的风速,很明显,阿尔塔的存在的影响作为2找到最高的谱峰 P4 P、6 P意味着权力下降随着叶片遇到塔阴影一旦每革命 P ( P = 1.2赫兹);的实验数据,尽管最高峰是在2 P每1,有光谱的峰值 P由于不平衡的涡轮实验。

输出功率谱 U ∞ = 7 米/秒 。

正常和切向力系数与实验数据比较;图 6显示了平均系数5高空位置沿叶片测压孔位置对应的实验。找到好的协议证明转子空气动力学是由涡轮。根和叶片的尖端大差异被发现由于三维效应出现在这些位置,因为他们无法正确的模型。尽管在根和梢Glauert校正应用,准确预测的力量是不够的。

正常(a)和切向力(b)系数。

图 7显示了一个法向力系数的演变叶片在不同知识的位置。很明显,良好的协议是发现高达80%的叶片的跨度。靠近叶片的尖端(跨度的95%)模型并不代表正确塔阴影效果。一般来说,很明显,阿尔塔模型捕获后的平均行为及其与转子的交互。

法向力系数在不同跨度五部分叶片的位置:(a) 30%, (b) 47%, (c) 63%, (d) 80%, (e) 95%。

 3.3。详细的转子与阿尔塔模型模拟

转子塔互动也是研究使用的三维模型与模拟由转子和保持作为阿尔塔。两种方法来处理转子和塔之间的相对运动,同时保持较低的计算成本进行了测试:多个参考系(MRF)和动态网格(任意网格Interface-AMI)。

多个参考系计算流使用旋转和静止的参考系没有移动网格。在旋转区科里奥利力项添加到控制方程(见( 1)作为源和通量计算的相对速度。通过这种方式,一个虚拟的旋转磁通对不动网格计算成本方面的优势。由于转子不旋转但通量是,阿尔塔是在同一转速旋转但在相反方向磁流变液区造型相对运动。为此有必要修改解决计算艾尔身体力量的速度在惯性参照系和通量在转子的相对速度。

结果呈现在图 8显示塔的存在,每2一滴力量 P因为它是两刃的涡轮机。然而,高权力的增量显示之前的下降与塔阴影和需要进一步研究的这种技术的实现。

输出功率和功率谱为多个参考系模拟。

在动态网格方法中,网格是旋转;然而艾尔仍在同一位置;因此,塔内可以放置在旋转域和转子之间的相对运动和塔表示。这样可以计算域的旋转域导致降低计算成本避免与AMI的通信接口之间的转子和其他领域。

不稳定运行进行了模拟与和没有与阿尔塔塔放在旋转的部分。阿尔塔的存在是证明权力的下降在这两种情况下。孤立的三维转子之间的差异和完整的顺风涡轮机呈现在图 9显示的影响塔的存在,随着电力下降每0.41秒当叶片通过塔。

输出功率比较孤立转子和rotor-AL大厦。

 4所示。结论

铝的使用技术来模拟完整的风力涡轮机和分析能力的模型来捕获塔对旋翼空气动力学的影响是这个工作的动机。为此,数值模拟的VI涡轮进行NREL阶段。首先,我们提出的孤立转子参数进行了研究。第二,一个完整的汽轮机仿真,提出了模型的建模采用了阿尔塔在顺风配置。

进行了模拟与OpenFOAM使用致动器行技术SOWFA中实现。计算转子进行的7米/秒的风速固定偏航和俯仰角度0°和3°,分别以一个恒定转速为72 RPM。

三个方面进行了研究:致动器线模型的准确性预测负荷,模型的参数的影响的结果,和性能的模型作为塔当模拟一个完整的汽轮机。

从艾尔模型结果强烈依赖于参数和网格分辨率。指导发现文献中关于网格特征并不完全准确和网格独立研究针对每种情况执行。其他作品有一组相关的网格分辨率。然而,这个参数物理意义,因为它建立的距离在部队预计流。

这项工作提出了选择这些因素的顶端叶片的弦长。尽管输出功率的结果显示解决方案开始收敛后一个正则化参数等于和弦对于部队的预测为63%,此值与实验结果显示轻微的差异。随着泵主要是负责涡轮的力量值得推荐的使用一个正则化参数与和弦的最外层部分叶片在80%或95%。

关于致动器的使用,塔线模型,技术影响流的能力,影响转子的空气动力学。完全AL涡轮模拟、数值模拟和实验数据吻合良好,尤其在中期部分(63%和80%)。流的原因是在这些章节主要是在内部和外部的部分二维叶片三维效果的部队受到AL模型并不完全捕捉。

自从巨蜥进行模拟,波动涡结构的塔不明显;因此不稳定的本质之间的交互涡旋脱落塔和叶片没有观察到。获得这样的效果,与驱动器的使用大涡模拟技术可以部署更好的性能。

阿尔塔模型的能力也被证明与转子三维模拟,随着电力下降每次背后的叶片通过塔。这是用两种不同的技术来处理塔和转子之间的相对运动。动态网更适合技术是一致的结果。虽然模拟AL满涡轮机所需计算资源少,不可能获得信息上的转子塔结构的影响,以及与叶片边界层的影响,和限制失速延迟和技巧使简化损失有用的只是在特定条件下。

此外,使用的阿尔塔三维转子是一个很好的妥协的了解旋翼空气动力学模拟完整的涡轮机和与塔相关干扰的影响。

为了比较该方法与其他计算/工程低阶数值技术,两个研究工作,发现文献中,提出和讨论。拉希米等。 25]效仿阿联酋第四阶段涡轮在顺风配置使用叶片元素动力(BEM)模型的转子和一个潜在的流解决方案模型。的模拟进行了快速的代码也由NREL。一个完整的详细的CFD模拟也进行比较的目的。数值结果表明,快速预测速度的赤字是大于平均值20%。较大的差异(BEM和CFD之间)也观察到接近叶片的尖端。法向力的增加接近170°的方位角没有捕捉到这两种方法都不,本和CFD。从图 7,很明显,在致动器线模型,这个力系数略有增加了接近叶片的根源但不是捕获接近顶端的部分。

第二个研究工作中发现文学处理阿联酋第四阶段的模拟涡轮在逆风配置采用涡格法(VLM)。Hogeon et al。 26]显示数值结果与实验数据吻合较好,但塔的影响不是捕获因为他们报告无显著差异是否存在塔。提到是很重要的一个模型,如VLM需要特殊处理后,与塔。在本文中提出的方法,不需要治疗后因为这是解决在计算域navier - stokes解算器。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

 确认

赞助工作从涡轮仿真,获得软件开发和空气动力学的弗劳恩霍夫iw研究所。许多由于由于湍流,ForWind研究所的随机和风力能源集团,尤其是计算流体动力学模拟团队,提供所需的所有资源和富有成效的讨论和同事们的支持。由于将大规模计算风能研究设施(流)奥尔登堡大学提供计算机时间。非常感谢斯科特博士是由于Schreck的国家可再生能源实验室提供了实验数据。

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