50kW太阳能烟囱电站涡轮机的数值模拟

２０２０年第１２期２０２０Ｎｕｍｂｅｒ１２水电与新能源ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３４卷Ｖｏｌ.３４ＤＯＩ:１０.１３６２２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ４２－１８００/ｔｖ.１６７１－３３５４.２０２０.１２.０１２收稿日期:２０２０－０９－０５作者简介:柳呈祥ꎬ男ꎬ助理工程师ꎬ主要从事水电站励磁㊁直流系统调试㊁检修㊁维护工作ꎮ某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析柳呈祥ꎬ张元栋ꎬ程诗龙ꎬ黄柯维(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂ꎬ湖北宜昌㊀４４３１３３)摘要:以某电站５０ＭＷ水轮发电机组为研究对象ꎬ对电机进行了模型参数计算ꎬ建立了发电机的数学模型ꎻ应用Ｍａｔｌａｂ软件中的ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具ꎬ以建立的数学模型为基础搭建了凸极水轮发电机仿真模型ꎬ并对所建模型并网后的运行特性进行仿真研究ꎬ验证了所建模型的正确性ꎮ关键词:水轮发电机ꎻ参数计算ꎻＭａｔｌａｂꎻ数学模型中图分类号:ＴＭ３１２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７１－３３５４(２０２０)１２－００４９－０５ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａ５０ＭＷＨｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅＧｅｎｅｒａｔｏｒＵｎｉｔＬＩＵＣｈｅｎｇｘｉａｎｇꎬＺＨＡＮＧＹｕａｎｄｏｎｇꎬＣＨＥＮＧＳｈｉｌｏｎｇꎬＨＵＡＮＧＫｅｗｅｉ(ＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＰｌａｎｔꎬＣｈｉｎａＹａｎｇｔｚｅＰｏｗｅｒＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＹｉｃｈａｎｇ４４３１３３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｆｏｒａ５０ＭＷｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.ＴｈｅｎꎬａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎＳｉｍｕｌｉｎｋｔｏｏｌｂｏｘｉｎＭａｔｌａｂｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ.Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔꎻｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎻＭａｔｌａｂꎻｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ㊀㊀同步发电机是电力系统的心脏ꎬ直接影响电力系统的的稳定运行ꎮ由于电机非线性㊁强耦合㊁多变量的特点ꎬ电机的动态特性复杂ꎬ而电机的动态性能对电力系统的动态稳定非常重要ꎬ所以对电机的模型进行深入的研究是十分必要的[１]ꎮ对于同步电机的数学模型主要有ａｂｃ轴和ｄｑ轴两种参考坐标系ꎬａｂｃ坐标系可以完整反映气隙基波和谐波磁场的电磁关系ꎬ但是电感参数变化会给此坐标系下的计算和分析造成不便ꎻｄｑ轴坐标系只计基波磁场的作用ꎬ可以实现定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电感解耦ꎬ目前来说ꎬ通常采用ｄｑ轴坐标进行电机建模ꎮ本文以某电站凸机同步发电机为例ꎬ建立了发电机在ｄｑ轴下的数学模型ꎬ并对此模型进行了Ｍａｔｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真ꎬ最后对仿真波形进行分析ꎬ验证了模型的正确性ꎮ１㊀发电机数学模型１.１㊀ｄｑ坐标系下的电机有名值方程为了建立同步发电机模型ꎬ必须对实际电机作必要的简化假设:１)定子三相绕组结构上完全相同ꎬ在空间上相差１２０ʎ电角度ꎮａｂｃ三相绕组对其轴线而言结构对称ꎮ２)电机转子在结构上是完全对称的ꎮ转子各绕组如果有电流ｉ流过ꎬ只考虑正弦基波分量ꎮ３)对于电机沿直轴或交轴的磁路ꎬ如果磁势波是对称于直轴或交轴正弦分布的ꎬ则磁密波也对称于直轴或者交轴正弦分布ꎬ或者说对于磁密波只计其基波分量[２]ꎮｄｑ坐标系下的电机暂态方程适应转子的旋转和凸极效应ꎬ所以一般选用ｄｑ坐标系建模ꎮ电压和磁链方程如下ꎮ９４水电与新能源２０２０年第１２期电压方程:ｕｄ＝ｐψｄ－ωψｑ－ｒｉｄｕｑ＝ｐψｑ＋ωψｄ－ｒｉｑｕｆ＝ｐψｆ＋ｒｆｉｆ０＝ｐψＤ＋ｒＤｉＤ０＝ｐψＱ＋ｒＱｉＱ(１)式中:ｕｄ㊁ｕｑ㊁ｕｆ分别为ｄｑ轴电压和励磁绕组的电压ꎻψｄ㊁ψｑ㊁ψｆ㊁ψＤ㊁ψＱ分别为各绕组磁链ꎻｉｄ㊁ｉｑ㊁ｉｆ㊁ｉＤ㊁ｉＱ分别为各绕组中流过的电流瞬时值ꎻｒ㊁ｒｆ㊁ｒＤ㊁ｒＱ分别为各绕组电阻ꎻω为转子电角速度ꎻｐ为微分算子ꎬｐ＝ｄｄｔꎮ磁链方程:㊀ψｄψＦψＤæèçççöø÷÷÷＝ＬｄＭｆＭＤＫＭｆＬｆＭＲＫＭＤＭＲＬＤéëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúú㊀ψｑψＱæèçöø÷＝ＬｄＭＱＫＭＱＬＱéëêêùûúú－ｉｄｉＱéëêêùûúú(２)式中:Ｌｄ㊁Ｌｑ分别为ｄｑ同步电感系数ꎻＬｆ㊁ＬＤ㊁ＬＱ分别为励磁和阻尼绕组自感系数ꎻＭＲ为励磁和阻尼Ｄ绕组自感系数ꎻＭｆ㊁ＭＤ㊁ＭＱ分别为定子和转子绕组互感系数幅值ꎮ１.２㊀ｄｑ坐标系下的标幺值方程用有名值来进行同步电机的分析时ꎬ存在量级差异较大的情况ꎬ用归算到自身容量基值下的标幺值表示则更加合理ꎮ因此ꎬ对电机有名值方程还需进行标幺化ꎮ对有名值方程进行规范化的过程就是标幺化的过程ꎬ首先要确定有关变量的基准值ꎮ发电机定子侧基准电压ＵＢ㊁基准电流ＩＢ㊁基准容量ＳＢ㊁基准频率ｆＢ和基准角频率ωＢ为[３]㊀㊀ＵＢ＝２ＵＲ㊀㊀ＩＢ＝２ＩＲ㊀㊀ＳＢ＝ＳＲ＝３ＵＲＩＲ＝３２ＵＢＩＢ㊀㊀ｆＢ＝５０Ｈｚ㊀㊀ωＢ＝２πｆｂ式中:ＵＲ为发电机额定相电压有效值ꎻＩＲ为发电机额定相电流有效值ꎻＳＲ为发电机额定容量ꎮ定子侧绕组基准磁链ψＢ㊁基准自感系数ＬＢ和时间基准值ｔＢ关系为ψＢ＝ＵＢｔＢψＢ＝ＬＢＩＢ转子ｆ㊁Ｄ和Ｑ各绕组变量分别取以下基准值ＵｆＢ＝ＫＦＵＢＵＤＢ＝ＫＤＵＢＵＱＢ＝ＫＱＵＢüþýïïïψｆＢ＝ＫＦψＢψＤＢ＝ＫＤψＢψＱＢ＝ＫＱψＢüþýïïïＩｆＢ＝３２１ＫＦＩＢＩＤＢ＝３２１ＫＤＩＢＩＱＢ＝３２１ＫＱＩＢüþýïïïïïïïＳＦＢ＝ＳＤＢ＝ＳＱＢ＝ＳＲ式中:ＫＦ㊁ＫＤ为励磁和阻尼Ｄ绕组对定子ｄ绕组的等效匝比ꎻＫＱ为阻尼Ｑ绕组对定子ｑ绕组的等效匝比ꎮ经过规范化后的磁链方程为ψｄψＢψｆψｆＢψＤψＤＢæèçççççççöø÷÷÷÷÷÷÷＝ＬｄＬＢＭｆ２３ＫＦＬＢＭＤ２３ＫＤＬＢ２３ＭｆＫＦＬＢＬｆ２３ＫＦ２ＬＢＭＲ２３ＫＤＫＦＬＢ２３ＭＤＫＤＬＢＭＲ２３ＫＦＫＤＬＢＬＤ２３ＫＤ２ＬＢéëêêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúúú－ｉｄＩＢｉｆ３２１ＫＦＩＢｉＤ３２１ＫＤＩＢéëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúψｑψＢψｑψＱＢæèççççöø÷÷÷÷＝ＬｑＬＢＭＱ２３ＫＱＬＢ２３ＭＤＫＱＬＢＬＱ２３ＫＱ２ＬＢＬＱéëêêêêêêêêùûúúúúúúúú－ｉｑＩＢｉＱ３２１ＫＱＩＢéëêêêêêêùûúúúúúú(３)由于电感标幺值与电抗标幺值相等ꎬ可以不区分ꎬ上式可改写为ψｄ∗ψｆ∗ψＤ∗æèçççöø÷÷÷＝Ｘｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘｆ∗ＸＲ∗Ｘａｄ∗ＸＲ∗ＸＤ∗éëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúúψｑ∗ψＱ∗æèçöø÷＝Ｘｑ∗Ｘａｑ∗Ｘａｑ∗ＸＱ∗éëêêùûúú－ｉｑｉＱéëêêùûúú(４)电压方程为０５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月ｕｄ∗＝ｄｄｔ∗(ψｄ∗)－ω∗ψｑ∗－ｒ∗ｉｄ∗ｕｑ∗＝ｄｄｔ∗(ψｑ∗)＋ω∗ψｄ∗－ｒ∗ｉｑ∗ｕｆ∗＝ｄｄｔ∗(ψｆ∗)＋ｒｆ∗ｉｆ∗ｕＤ∗＝ｄｄｔ∗(ψＤ∗)＋ｒＤ∗ｉＤ∗＝０ｕＱ∗＝ｄｄｔ∗(ψＱ∗)＋ｒＱ∗ｉＱ∗＝０(５)由于后续分析的电气量均为标幺值ꎬ将∗省略ꎮ电机参数一般以运算电抗和实用参数给出ꎬ其中ｄｑ轴运算电抗为Ｘｄ(ｐ)＝ψｄ－ｉｄＸｑ(ｐ)＝ψｑ－ｉｑ由式(４)和(５)可求得:㊀㊀Ｘｄ(ｐ)＝Ｘｄ－Ｂ(ｐ)Ａ(ｐ)Ａ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤＸｆ－Ｘａｄ２)＋ｐ(ＸＤｒｆ＋ＸｆｒＤ)＋ｒＤｒｆＢ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤ＋Ｘｆ－２Ｘａｄ)Ｘａｄ２＋ｐ(ｒｆ＋ｒＤ)Ｘａｄ２㊀㊀Ｘｑ(ｐ)＝Ｘ１＋Ｘａｑ(ＸＱ１＋ｒＱｐ)Ｘａｑ＋(ＸＱ１＋ｒＱｐ)(６)除以上电磁方程ꎬ还有转子运动方程２Ｈｄωｄｔ＝Ｔｍ－ＴｅＴｅ＝ψｄｉｑ－ψｑｉｄ(７)式中:Ｈ为机组惯性时间常数ꎻＴｍ为机械力矩ꎻＴｅ为电磁转矩ꎮ２㊀标幺值选定和仿真参数计算表１为某电站发电机主要电气参数ꎬ由式(４)(５) (７)搭建电机模型需知道发电机定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电抗值㊁电阻值ꎬ还需知道机组惯性时间常数ꎮ由于建模采用标幺值系统ꎬ应对发电机电气参数进行标幺化ꎬ本节对发电机标幺值选定和发电机参数进行分析和计算ꎮ定子绕组基准值选择[４－５]ＳａＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＵａＢ＝２ＵＲ＝２ˑ１０５００/３＝８５７３.２ＶＩａＢ＝２ＩＲ＝４５７４.３Ａ表１　发电机主要电气参数表项目额定工况发电机功率ＰＮ/ＭＷ５０功率因数ｃｏｓφＮ０.８５发电机容量ＳＮ/ＭＶＡ５８.８额定电压ＵＮ/ｋＶ１０.５额定电流ＩＮ/Ａ３２３４.５额定转速ｎＮ/(ｒ ｍｉｎ－１)２７２.７额定频率ｆＮ/Ｈｚ５０直轴同步电抗Ｘｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.１.０５８直轴瞬变电抗Ｘᶄｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.０.３０７直轴超瞬变电抗Ｘᵡｄ/ｐ.ｕ.０.２０３交轴同步电抗Ｘｑ/ｐ.ｕ.０.６７５交轴超瞬变电抗Ｘᵡｑ/ｐ.ｕ.０.２１４定子绕组漏抗Ｘ１/ｐ.ｕ.０.１１９ｄ轴短路暂态时间常数Ｔᶄｄ/ｓ１.９６２ｄ轴开路暂态时间常数Ｔᶄｄ０/ｓ６.７６ｄ轴短路次暂态时间常数Ｔᵡｄ/ｓ０.０４４１ｄ轴开路次暂态时间常数Ｔᵡｄ０/ｓ０.０６６５ｑ轴短路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ/ｓ０.０５０２ｑ轴开路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ０/ｓ０.１５７９６空载励磁电流Ｉｆ０/Ａ５９３额定励磁电流ＩｆＮ/Ａ１０６７额定励磁电压ＵｆＮ/Ｖ１６４定子绕组电阻Ｒａ/Ω０.００６４５励磁绕组电阻Ｒｆ/Ω０.１３０７飞轮力矩ＧＤ２/ｔｍ２１８５０ｆａＢ＝５０ＨｚωＢ＝２πｆＢ＝３１４.１６ｒａｄ/ｓＺａＢ＝ＲａＢ＝ＸａＢ＝１.８７４２ΩＬａＢ＝ＸａＢ/ωＢ＝５.９６６ˑ１０－３ＨψａＢ＝ＬａＢＩａＢ＝２７.２９Ｗｂ励磁绕组基准值选择ＳｆＢ＝ＳｆＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＬｄｆ＝ＵＢωＢｉｆ｜ｉｆ＝５９３Ａ＝０.０４６０２ＨＸａｄ∗＝Ｘａｄ∗－Ｘ１∗＝０.９３９ＩｆＢ＝ＸａｄＩＢωＢＬｄｆ＝(Ｘｄ－Ｘ１)ＩＢωＢＬｄｆ＝５５６.８Ａ１５水电与新能源２０２０年第１２期ＵｆＢ＝ＳＢＩｆＢ＝１０５.６ｋＶＺｆＢ＝ＲｆＢ＝ＸｆＢ＝１８９.７ΩＬｆＢ＝ＸｆＢ/ωＢ＝０.６０３８ＨψｆＢ＝ＬｆＢＩｆＢ＝３３６.２Ｗｂ定转子之间的互感基值选择ＬａｆＢ＝２３ＬａＢＬｆＢ＝０.０４９ＨＬｆａＢ＝２３ＬａｆＢ＝０.０７３５Ｈ力矩基值ＴＢ＝ＳａＢωｍＢ＝ｎｐＳａＢωｅＢ＝１１ˑ５８.８ˑ１０６３１４.１６＝２.０６ˑ１０６Ｎ ｍ由电机实用参数可继续求解得到电机模型参数[６](由于模型建立在标幺值基础上ꎬ后续如无特别说明均省略符号∗):Ｘａｄ＝Ｘｄ－Ｘ１＝０.９３９Ｘａｑ＝Ｘｑ－Ｘ１＝０.５５６Ｘｆ＝Ｘａｄ２Ｘｄ－Ｘᶄｄ＝１.１７４ＸＤ＝２.５５９ＸＱ＝０.６７１ｒ＝３.４４１ˑ１０－３ｒｆ＝５.５２８ˑ１０－３ｒＤ＝０.０８６５ｒＱ＝３.１６２ˑ１０－３转动惯量Ｊ＝１４ＧＤ２ˑ１０３＝４６２.５ˑ１０３ｋｇ ｍ２机组惯性时间常数Ｈ＝１２ＪωｍＢ２ＳａＢ＝３.２１ｓ至此ꎬ电机仿真所需所有建模参数均已求得ꎮ３㊀仿真模型３.１㊀模型搭建如图１所示ꎬ按照前面两节的电机电压方程㊁磁链方程㊁功率方程㊁电磁力矩方程和转子运动方程搭建电机模型ꎮ明显地ꎬ当考虑定子绕组㊁转子绕组和励磁绕组的电磁暂态过程以及转子的机械过渡过程时ꎬ发电机为七阶模型ꎬ完整的反映了电机系统的物理特性ꎮ电机模型采用标幺值系统ꎬ与上节的计算和分析对应ꎮ励磁系统采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ自带的ＥｘｃｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍꎬ控制方式为ＰＩＤ＋ＰＳＳ２Ｂꎮ变压器选择Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＴｒａｎｓ￣ｆｏｒｍｅｒꎬ容量选择６０ＭＶＡꎬ一二次侧电压为１０.５ｋＶ/３５ｋＶꎮ输电线路选择３－ＰｈａｓｅＳｅｒｉｅｓＲＬＣＢｒａｎｃｈ(电阻０.００３Ωꎬ电感为０.００５Ｈ)ꎮ无穷大系统用３－ｐｈａｓｅＳｏｕｒｃｅ模块(１００００ＭＶＡ３５ｋＶ)和３－ｐｈａｓｅｐａｒａｌｌｅｌＲＬＣｌｏａｄ模块组成ꎮ图１㊀发电机Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型图２５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月３.２㊀仿真波形搭建好仿真模型后ꎬ可以对电机暂态过程进行模拟仿真ꎮ机械功率输出Ｐｍ＝１(ｐ.ｕ.)ꎬ给定电压Ｖｒｅｆ＝１(ｐ.ｕ.)ꎮ励磁电流Ｉｆ㊁励磁电压Ｕｆ㊁ｄｑ轴电压和电流㊁电磁功率Ｐｅ和输出功率Ｐｅｏ的仿真波形如图２－图４所示ꎮ图２㊀Ｉｆ㊁Ｕｆ㊁Ｕｄ和Ｕｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)图３㊀ｉｄ和ｉｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)从图中可知ꎬ励磁电压㊁励磁电流随时间趋于稳定并达到额定值ꎮＵｄ和Ｕｑ的稳定值分别为０.６４７(ｐ.ｕ.)和０.７６３(ｐ.ｕ.)ꎮＵｄ２＋Ｕｑ２稳定值刚好趋于图４㊀Ｐｅ和Ｐｅｏ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)电压额定值ꎮ电磁功率和电磁输出功率趋于１(ｐ.ｕ.)ꎬ和给定的机械功率平衡ꎬ因为模型中未考虑摩擦转矩作用ꎬ这与理论分析的结果是一致的ꎮ综合以上发电机电气量仿真波形ꎬ本文搭建的发电机模型正确ꎬ可真实反映发电机电气和机械特性ꎮ４㊀结㊀语发电机系统是一个典型非线性㊁强耦合的高阶系统ꎬ动态性能复杂ꎬ所以对发电机的建模力求精确ꎮ本文介绍了建立发电机ｄｑ轴坐标系下数学模型的基本方法ꎬ接着对某电站的电机参数进行了分析和计算ꎬ搭建了基于实际凸机水轮发电机的模型ꎬ最后通过Ｍａｔ￣ｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真验证了模型的正确性ꎮ参考文献:[１]余贻鑫ꎬ陈礼义.电力系统的安全性和稳定性[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８８[２]黄家裕ꎬ岑文辉.同步电动机基本理论及其动态行为分析[Ｍ].上海:上海交通大学出版社ꎬ１９８９[３]高景德ꎬ张麟征.电机过渡过程的基本理论及分析方法[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８２[４]韩富春ꎬ闫根弟.暂态稳定数字仿真中发电机数学模型的研究[Ｊ].太原理工大学学报ꎬ２００５ꎬ３６(１):７５－７８[５]宋宏志.不同工况下大型水轮发电机电磁参数的计算[Ｄ].北京:华北电力大学ꎬ２０１１[６]倪以信ꎬ陈寿孙ꎬ张宝霖.动态电力系统的理论和分析[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００２３５。

风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟一、风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟概述风力涡轮机作为可再生能源领域的重要技术之一，其效率和性能直接影响到能源的转换效率和经济效益。

在风力涡轮机的运行过程中，叶片的气动噪声是一个不可忽视的问题，它不仅影响周围环境的声学舒适度，还可能对机器的长期运行造成不利影响。

因此，对风力涡轮机叶片气动噪声进行数值模拟，以预测和降低噪声，具有重要的实际意义。

1.1 风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟的重要性数值模拟作为一种高效、低成本的研究手段，可以对风力涡轮机叶片在不同工况下的气动噪声进行预测和分析。

通过数值模拟，可以深入理解噪声产生的机理，为叶片设计优化提供理论依据。

1.2 风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟的研究现状目前，气动噪声的数值模拟主要采用计算流体动力学（CFD）和声学模拟相结合的方法。

CFD用于模拟叶片周围的流场，而声学模拟则用于预测由此产生的噪声。

随着计算机技术的发展，数值模拟的精度和效率不断提高，已经成为风力涡轮机叶片气动噪声研究的重要工具。

二、风力涡轮机叶片气动噪声数值模拟的理论基础2.1 气动噪声产生的机理气动噪声是由流体与固体表面相互作用产生的，其主要来源包括叶片表面的压力波动、尾迹涡流的脱落以及叶片与周围空气的湍流相互作用等。

这些因素共同作用，导致声波的辐射。

2.2 数值模拟方法数值模拟通常采用有限体积法（FVM）或有限元法（FEM）来离散控制方程，通过求解Navier-Stokes方程来模拟流场。

对于声学模拟，可以采用声学类比法（ANA）或直接求解声波方程的方法。

2.3 边界条件和模拟参数在进行数值模拟时，需要合理设置边界条件，包括入口和出口的流动条件、叶片表面的无滑移条件以及远场的辐射条件等。

此外，模拟参数的选择，如时间步长、网格密度等，也对模拟结果的准确性有重要影响。

三、风力涡轮机叶片气动噪声数值模拟的关键技术3.1 网格生成技术网格生成是数值模拟的第一步，它直接影响到模拟的精度和效率。

基于太阳能烟囱效应的光伏组件强化散热装置设计与数值模拟研究龚恒翔;谢世列;邹政;汪静姝;肖旭【摘要】为减少高温对光伏组件光电转换效率的不利影响,本文提出了一种基于太阳能烟囱效应的强化散热装置,可利用太阳能热效应激发气流,提高光伏阵列与周围空气的对流散热效果.利用CFD软件对该散热装置进行了数值模拟研究,以掌握太阳辐射强度及环境温度对该散热装置冷却性能的影响.结果表明,当太阳辐照强度为550 W/m2时,在散热风道内可以形成风速约为1.8 m/s的稳定流场,且在有、无匹配强化散热装置条件下对光伏阵列的温度分布情况进行了对比分析,发现匹配强化散热装置可使光伏阵列的工作温度进一步降低14℃.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)007【总页数】7页(P990-996)【关键词】光伏组件;被动式空冷;强化散热;太阳能烟囱【作者】龚恒翔;谢世列;邹政;汪静姝;肖旭【作者单位】重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054【正文语种】中文【中图分类】TK;TM914光伏组件是以太阳能电池片为核心，直接将光能转化为电能的装置。

太阳能电池片的工作机制及光伏组件的结构特点决定了光伏组件在工作过程中，入射光能只有少部分转化为电能，大部分转化为热能，导致光伏组件温度升高。

硅基光伏组件在标准状况下（太阳辐射强度为1 000 W/m2，工况温度为25℃）光电转换效率为12%～17%[1]，光伏组件温度每升高1℃，光电转换效率下降0.5%[2]。

高温是光伏发电工程技术中的一个重大问题，将光伏组件的温度控制在适合范围内具有重大意义。

目前光伏组件散热技术大体可分为空冷散热[3]，[4]和水冷散热[5]，[6]两种。

由于主动式空冷散热技术和水冷技术不得不采用风机或水泵，而风机和水泵在使用过程中容易发生故障，出于节能及可靠性两方面考虑，被动式空冷技术受到越来越多的重视。

太阳能烟囱自然通风的数值模拟王晓冬;龙雪;万雄峰【摘要】Trombe墙又被称为“会呼吸的墙”，它是一种以太阳能为驱动力的自然通风的方式，高度和宽度是其两个重要的参数。

本文以Trombe墙为研究对象，采用数值模拟计算的方法研究了其高度和宽度之间的对应关系。

%The Trombe wall was also known as the ＂breathing wall＂, which was a kind of natural ventilation forced by solar energy. The height and width were the important parameters. In this paper, the Trombe wall was researched by numerical simulation for finding the relation between height and width.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2012(031)003【总页数】4页(P70-72,85)【关键词】Trombe墙;自然通风;数值模拟【作者】王晓冬;龙雪;万雄峰【作者单位】青岛市地下铁道公司,266071;青岛市地下铁道公司,266071;深圳市建筑设计研究总院有限公司【正文语种】中文【中图分类】O242.10 引言近些年来，在对太阳能为动力的通风方式上研究者进行了大量的实验、数值计算和理论分析。

早在20世纪50年代法国科学家Trombe发起了对太阳能烟囱的研究，在近几十年的时间里，国外对太阳能烟囱展开了广泛的研究，并应用在除通风以外的其他领域。

Afon so and Oliveira[1]对太阳能烟囱和普通的烟囱进行了对比证明利用太阳能烟囱比普通的烟囱能明显地增加通风量，并且增加太阳能烟囱的宽度要比增加高度更有效。

Chen[2]利用实验证明了现在所用的方法过高地预测了通风量，原因在于假定了烟囱内的温度不变和同一高度上的速度相等引起的。

某火电厂150m高烟囱平均风压的CFD数值模拟研究作者：郑德乾沙蔚博来源：《企业导报》2014年第15期摘要：采用Realizable k-ε湍流模型对某火电厂150m高烟囱的平均风压进行了CFD数值模拟，研究了不同风向角情况下烟囱表面平均风压的分布规律，得到了烟囱表面分块体型系数沿高度变化规律，通过流场显示对周边建筑对烟囱表面风压分布的影响机理进行了分析，还将烟囱整体体型系数与荷载规范值进行了对比。

本文结果可为该类高耸结构的抗风设计提供参考。

关键词：CFD数值模拟；高耸结构；平均风压；流场分析引言：随着科技的进步和人们生活水平的提高，社会用电量的需求逐步增大，虽然近年来发展的太阳能、风能和水利发电等绿色能源已逐渐推广使用，但在相当长一段时间内，可能仍无法完全替代火力发电。

烟囱是火电厂中应用广泛的高耸结构，伴随着火电厂发电规模的不断提升，烟囱的高度也逐渐增高，由此带来的抗风问题也日益显著，现行《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012） [1]无法准确给出这类结构的风荷载。

结构抗风研究多采用风洞试验方法，但风洞试验周期长、费用高；随着计算机技术和湍流模型的发展，CFD（Computational fluid dynamics）数值模拟方法已越来越多地应用到结构抗风研究中[2～5]，该方法便于参数分析，且可进行流场可视化机理分析，具有较广阔的应用前景。

某火电厂拟建工程规模为2×150MW燃煤机组，两台机共用一座150m高烟囱。

由于烟囱周围有锅炉房和主厂房等结构物的影响，某些风向角下烟囱周围的流场将受厂房建筑物干扰而发生变化，导致烟囱风荷载分布的改变。

因此，本文采用CFD数值模拟方法和Realizable k-ε湍流模型，对该火电厂烟囱的平均风荷载进行数值模拟研究，以对其抗风设计提供参考。

一、数值模拟方法及参数本文的结构抗风研究属于钝体绕流问题，CFD数值模拟的控制方程是粘性不可压Navier-Stokes （简称N-S）方程，为得到结构的平均风压，需要对N-S方程进行时均化处理，相应的流体控制方程为本文压力速度耦合的求解采用SIMPLEC算法，对于动量方程、湍动能和湍动能耗散率方程均采用二阶迎风格式进行离散，近壁区流动的修正采用非平衡壁面函数实现。

太阳能烟囱内部气流换热特性的数值模拟柳仲宝;苏亚欣;刘向锋【摘要】太阳能烟囱是一种利用热压强化自然通风的有效方法.采用FLUENT模拟软件对不同高度的太阳能烟囱进行了数值模拟,分析了烟囱内部空气的温度场、速度场以及局部对流换热系数的变化情况,结果表明在集热墙与玻璃盖板的近壁面处,边界层内温度梯度与速度梯度较大.局部对流换热系数在烟囱进风口上端一定范围内的数值波动较大,并随着竖直高度的增加而逐渐降低,直至流动状态发生变化后随着竖直高度的增加而升高.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2014(033)004【总页数】4页(P17-19,28)【关键词】自然通风;太阳能烟囱;数值模拟;对流换热系数【作者】柳仲宝;苏亚欣;刘向锋【作者单位】上海市建筑科学研究院(集团)有限公司;东华大学环境科学与工程学院;上海市建筑科学研究院(集团)有限公司【正文语种】中文太阳能烟囱是一种利用热压强化自然通风的有效方法。

近年来研究人员对不同形式的太阳能烟囱自然通风的热性能进行了实验测试、理论模型以及数值模拟的研究[1～5]。

在前人建立的理论模型中，普遍采用经验公式来计算太阳能烟囱内空气的局部对流换热系数，进而求得烟囱的通风量。

然而空气在太阳能烟囱通道内受热流动的过程中，由于速度的变化必然会引起玻璃和墙体表面的局部对流换热系数发生变化，这必然会引起换热过程的计算误差从而影响通风量计算的准确性，因此深入探讨烟囱内部的局部流换热系数对研究太阳能烟囱的通风性能具有重要意义。

1.1 物理模型太阳能烟囱主要由玻璃盖板、集热墙以及空气通道所构成，如图1所示。

烟囱的空气通道的宽度为0.3m，下部空气入口的高度为0.3m，烟囱的高度在2～4m之间变化。

室外太阳辐射通过透明玻璃盖板进入烟囱通道后被集热墙的蓄热材料吸收，从而加热通道内的空气，使之产生内外密度差形成向上运动的自然对流，从烟囱顶端流出至室外。

室内空气则通过集热墙下部的入口流入空气通道，从而使室内的空气形成自然通风，达到通风换气的目的。

太阳能烟囱发电系统数值模拟研究的开题报告一、研究背景与意义随着全球能源消耗量的不断增加和环境污染的日益严重，清洁能源的研究与开发变得越来越重要。

太阳能作为最为广泛分布、能量最为丰富的清洁能源之一，具有巨大的应用前景。

太阳能烟囱发电系统是一种利用太阳能、风能和地热能等多种能源，通过建造巨型锥形状的烟囱，将热能逐层传递，产生空气流动并驱动涡轮机发电的技术，是目前世界上最为成熟的太阳能发电技术之一。

太阳能烟囱发电系统不仅能够解决能源短缺和污染等环境问题，还具有投资周期短、运行成本低等优势，受到了广泛关注。

因此，对太阳能烟囱发电系统的数值模拟研究具有重要的理论和应用价值。

二、研究内容和研究方法1. 烟囱内空气流动场数值模拟基于Navier-Stokes方程，采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法，建立太阳能烟囱发电系统内部的三维流动场模型，分析空气流动的速度、温度、压力分布特征，探究巨型锥形烟囱内部气体流动的规律。

2. 太阳辐射和热传递模型研究考虑太阳辐射的波长和强度对烟囱内部温度和空气流动的影响，建立太阳辐射和热传递模型，对太阳能烟囱发电系统的能量转换过程进行数值模拟和分析。

3. 太阳能烟囱发电系统整体性能优化与评价基于数值模拟结果，对太阳能烟囱发电系统的整体性能进行优化设计和评价，探究影响其性能的因素，为进一步优化和提高太阳能烟囱发电系统的性能提供理论依据。

三、研究成果预期本文主要预期研究太阳能烟囱发电系统的空气流动特性、能量转换过程和整体性能优化等关键问题，设计和实现太阳能烟囱发电系统的数值模拟方法，得到太阳能烟囱发电系统的数值模拟结果。

通过对模拟结果进行分析，得出太阳能烟囱发电系统的优化方案，提高其整体性能。

四、论文框架第一章绪论1.1 研究背景和意义1.2 国内外研究现状1.3 研究内容和方法1.4 论文结构第二章太阳能烟囱发电系统的数学模型2.1 基本原理2.2 模型建立2.3 模型的求解方法第三章烟囱内空气流动场的数值模拟3.1 CFD数值模拟基本原理3.2 烟囱内气流场的建立3.3 烟囱内气流场的数值模拟3.4 数值模拟结果分析第四章太阳辐射和热传递模型研究4.1 太阳辐射的影响4.2 热传递模型的建立4.3 数值模拟结果分析第五章太阳能烟囱发电系统整体性能优化与评价5.1 成本效益分析5.2 整体性能优化方案设计5.3 优化结果分析第六章结论6.1 研究成果总结6.2 研究局限性和展望参考文献。

太阳能烟囱中风压式通风装置的三维非定常数值模拟陈佳俊;左潞;周晓天;丁玲;许波峰;王嘉良;何新屹【摘要】By establishing the physical model of the wind pressure ventilator in solar chimney,the three-dimensional unsteady numerical simulation of the wind pressure ventilator was carried out by using the Fluent simulation software,and the flow field characteristics and performance parameters of the device were obtained.The results show that when the wind wheel diameter is 10 m and the height is 15 m,the ventilator can produce a negative pressure of 64.5 Pa at the rotational speed of 69.3 r/min under equilibrium condition;the velocity field and pressure field of the specific cross section under different azimuth angles show obvious differences,and the flow field in the wind pressure ventilator is more complex;the blade torque of the wind pressure ventilator changes cyclically,and the total torque of the fan blades has not changed much with azimuth angle.The total torque of the H-type vertical axis wind wheel blades increases first and then decreases in a cycle to achieve a dynamic balance roughly.%通过构建太阳能烟囱中风压式通风装置的物理模型,并运用Fluent仿真软件对风压式通风装置进行三维非定常数值模拟,从而获得该装置的流场特性及性能参数.研究结果表明:当风轮直径为10 m,风轮高度为15m时,平衡工况下风轮的转速为69.3r/min,风压式通风装置能够产生64.5 Pa的负压;在特定的过流断面上,不同方位角的速度场及压力场呈现出明显的差异性,风压式通风装置内的流场较为复杂;风压式通风装置中叶片的转矩呈周期性变化,通风机叶片的总转矩随方位角变化不大;在一个运行周期内,H型垂直轴风轮叶片的总转矩呈先增加后减小的变化趋势,总体上达到动态平衡.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2017(035)004【总页数】7页(P606-612)【关键词】太阳能烟囱;H型垂直轴风轮叶片;通风机叶片;非定常流场;数值模拟【作者】陈佳俊;左潞;周晓天;丁玲;许波峰;王嘉良;何新屹【作者单位】河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】TK514太阳能烟囱电站（SCPP）具有结构简单、运维方便、昼夜连续发电等优点，能够实现太阳能的大规模开发和利用，拥有着巨大的应用前景。

太阳能热气流发电辅助加热烟囱特性数值模拟郭天明;陈俊俊;庞赟佶;陈义胜;牛永红;王晓彤【期刊名称】《陕西电力》【年(卷),期】2014(42)8【摘要】针对太阳能热气流发电系统,提出了采用二次辅助加热的技术措施,以增大气体内能,增加气流速度,提高烟囱抽力,降低烟囱高度的设想.利用流体动力学数值模拟软件Fluent对辅助加热烟囱特性进行数值模拟,研究辅助加热气流焓值变化对烟囱速度场、压力场分布的影响,并与无辅助加热情况进行比较.结果表明,太阳能热气流发电系统辅助加热可强化烟囱的抽吸作用,有利于发电机组的正常连续运行和发电输出功率的提高.【总页数】4页(P26-29)【作者】郭天明;陈俊俊;庞赟佶;陈义胜;牛永红;王晓彤【作者单位】内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TM615【相关文献】1.兆瓦级太阳能热气流发电站风荷载的数值模拟 [J], 袁行飞;吕晓东2.辅助加热气体焓值与太阳能热气流发电系统烟囱特性的数值模拟 [J], 陈俊俊;郭天明;庞赟佶;陈义胜;牛永红;王晓彤3.新型太阳能热气流电站烟囱流场数值模拟研究 [J], 李文艳;汪涛4.太阳能热气流发电系统辅助加热与塔囟高度研究 [J], 陈俊俊;庞赟佶;陈义胜;李义科;魏毅立;郭天明5.太阳能热气流发电系统烟囱特性与辅助加热高度研究 [J], 陈俊俊;郭天明;庞赟佶;陈义胜;牛永红;王晓彤因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。