基于fluent风速模型的建立研究

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1、基于FLUENT风速模型的建立研究赵元元天津轻工职业技术学院摘要：通过对风力发电机的研宄文献进行调研，了解到目前风力发电机的气动特性研究主要集中在叶片二维翼型的优化、转子附近流场的分析、叶片的空气动力特性及风机的尾流影响等方面，对风力发电机的整机流场的气动特细研究的不多。研宄方法主要包括空气动力学理论、风洞试验以及计算流体力学（ComputationalFluidDynamics）数值模拟。关键词：风速模报;建模;极端风;作者简介：赵元元（1983-），女，天津人，本科，讲师，研宄方向为多媒体技术。

2、1风能理论研宄背景叶素动量理论、涡流理论和贝兹理论成为当今风力机空气动力学的三大基本理论。贝兹理论由AlbertBetz于1919年建立。是世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整的理论，即由AlbertBetz根据理想情况下气流流经风轮的速度和压力变化关系推导出了风能所能转换成动能的极限比值。应用于风轮的基木气动原理分析。W兹理论提供了风能的基木理论，为研究风机的能量转化效率奠定了基础。旋涡理论是在贝兹理论之后提出来的。葛劳渥在贝茨理论的基础上引入诱导因子，将风轮旋转时的流场看做是由三个不同方

3、向的一维定常流动组成的三维流场。当风轮工作时，在流场中有三种漩涡同时存在。旋涡包括轮毂处、叶尖以及叶素后缘旋涡的存在。正因为风机运行时涡流的存在使得流场中周向和轴向速度发生变化。风机的叶片数越少，旋涡引起的损失就越多。这直接影响着风轮的气动性能和风能的转化效率。涡流理论为进一步研究风机的外部空气扰流提供丫理论依据。计算流体力学（CFD）数值模拟近年来越来越受到研宄者的欢迎。因其具有风洞试验所不具备的一些优点。其中包括可以方便地变化各种参数，成木低、周期短、效率高，可以研究不同参数的影响。但是CFD数

4、值模拟在使用吋必须严格注意计算区域、网格划分的设罝。随着流体力学理论的发展和计算机软硬件水平的提高,CFD将会成为一种很有潜力的方法。风机外流场仿真以及气动载荷的计算最重要的前提条件就是建立风速模型。0前的风速仿真并没有得到足够的重视，风速模型的建立多数局限在单一的恒定风速，并没有考虑到风机的运行环境是复杂多变的。而本章将对风机运行过程中可能会遇到的一些风速模型:垂直方向切变风、阵风、极端相关阵风以及方向变化的极端相关阵风分别做仿真模拟。这对实际运行当中的风机具有一定的工程价值。根据《JBT1030

5、02001》TEC61400-1中规定了力发电机组等级基本参数来设置。2风力发电机组设计要求中的风况在设计风力发电机组时，要考虑到风机所处的外部条件。各类外部条件大致可分为两类，一种是正常环境的外部条件，一种是极端环境的外部条件。风机结构长期承受的载荷和运行状态属于前者，而本文研究的几种风况都属于极端环境的外部条件。为了满足风电机组安全等级的要求，在设计风机时要考虑到本节提到的极端风况和正常风况两种。不同的风速和风湍流参数及所对应的风电机组的安全等级。不同风机在设计等级时，要考虑极端外部条件和正常外

6、部条件。不同场地的特性值可以用不同的湍流参数和风速值来表示。V~f表示10分钟平均参考风速，vave表示轮毂高度的年平均风速，IEC614000-1[40]中规定Vav^0.2V,.ef,即参考风速是年平均风速的五倍。风速分布决定了各个载荷状态出现的频率，对风力发电机组设计相当重要。风廓线表示平均风速随离地高度的变化函数，“风湍流”的含意是指风速是随机变化的，湍流模型应毡括风速、风向变化和循环抽样的影响。其中纵向风速分量的标准差o,和纵向湍流尺度参数A,的计算公式如下。1--^15(15+avhub

7、)’(《+1)门Z滅hub<30m21Zhub>30m式中a是斜率参数，2^是风力机的轮毂高度，Vhul、是轮毂高度的10分钟平均风速。用户自定义函数UDF是Fluent提供的用户接口，也是Fluent软件区别于其他软件的一大特色。当Fluent标准模块不能满足用户的仿真需求时，可以通过UDF编写自己需要的算法，包括自己定义边界条件、材料属性等模型参数。UDF能够识别用VC++编写的程序，因此用户自定义函数一般都在VC++里进行编写并编译运行。当经过VC++编译调试成功后才能通过Fluent的UDF

8、接口导入运行。因此UDF源文件都是以.C的格式存储的文件。(1)UDF宏。UDF宏做为用户自定义函数的一部分，在用户自己编写的函数中起着至关重要的作用。如果说用户自己编写的函数必须通过UDF接1_1来导入执行的话，那么UDF宏起到了真正执行并调用的作用。UDF冇着非常强大的DEFINE宏。包括通过的DEFINE宏函数和与特定的模型相匹配的DEFINE宏函数，能够广泛地应用在化学反应、随时间或空间变化的物理运行过程等方方面面。可以定义包括速度、压力、温度、质量等很多常用