fluent设计实例-风力发电机叶轮选择分析

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一、物理过程的描述 (1)二、数学建模 (1)1、模拟问题 (1)2、数学方程描述 (2)三、网格的划分 (3)1、建立单叶片流动模型： (3)2、建立垂直轴风力机模型 (5)四、边界条件设置与求解计算 (8)1、单叶片的数值模拟 (8)2、垂直轴风力机的数值模拟 (15)五、结果分析与总结 (19)1、NACA4412翼型周围流场分析 (19)2、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2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大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，人们感兴趣的是如何利用风来发电。

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)、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)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(如碳纤维)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。

图1.2翼型相关概念示意图二、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。

风轮的几何尺寸为下表：高度（m）半径（m）叶片弦长（m）8.4 4.2 12、数学方程描述①控制方程二维可压缩雷诺平均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：TF为对流通矢量，D为粘性矢量，S为源项，具体为：Q ，q6][q1,q2...,i其中：其中，E=e+u1u2/2+k和H==h+u1u2/2+k分别是滞止内能和滞止焓，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，Tq6]q2...,[q1,Q 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。

i F 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-ɛ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：①在网上搜索NACA4412翼型的相关坐标数值，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②建立叶片外部流动区域图3.2叶片及外部流动区域③划分面网格图3.3划分面网格对话框图3.4单叶片的网格划分④设置边界类图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Inlet Velocity-inlet ACOutlet Pressure-outlet BDWall1 Wall 叶片的上边线Wall2 Wall 叶片的下边线⑤输出并保存网格文件2、建立垂直轴风力机模型①创建弦长为1m的dat文件，并将其导入Gambit中。

图3.1弦长1m的NACA4412数据②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°平均分布在旋转流场周围。

图3.2叶片分布与流场设定③划分面网格分别对旋转流场和外部流场划分网格。

（a）（b）图3.3划分网格设置对话框图3.4划分后的网格图④设置边界类型和区域类型. （a）（b）图3.5设置边界类型⑤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①导入单叶片的网格文件②检查网格图4.1网格文件的导入与检查③确定长度的单位并显示网格图4.2长度单位设置对话框图4.3展示网格（2）选择计算模型①设置求解器，与流动模型：因为空气为可压缩流，故选用Density Based。

同时，由于空气流速大，故选用k-epsilon湍流模型。

图4.4求解器设置对话框图4.5K-ϵ湍流模型设置对话框②设置边界条件：打开Boundary Condition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Velocity Specification Method（速度给定方式）下拉列表中选择Magnitude，Normal to Boundary（给速度的大小，速度方向垂直于边界）。

C）在Velocity Magnitude（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，打开Pressure Outlet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：Solve→Controls→Solution Controls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：Solver→Initialize→Initialization打开Solution Initialization对话框，如图4.10所示。

在Computer from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流场初始化对话框C）打开残差图操作：Solve→Monitors→Residual打开对话框如图4.11所示，选择Option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：Slove→Iterate在打开的对话框中，在Number of Iteration（迭代次数）栏中输入1000。

单击Iterate按钮开始计算。

图4.12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①读入网格文件并进行相关操作。

②选择计算模型。

A）设置求解器。

操作：Define—Models—solver打开Solver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：Define—Operating Conditions保留默认设置。

③设置边界条件。

操作：Define—Boundary Conditions打开Boundary Conditions设置对话框，如图4.14所示。

图4.13求解器设置对话框图4.14边界选择对话框A）设置fluid-1流体区域的边界条件。

fluid-1为叶轮所在的旋转流场，因此要设置旋转速度。

在Zone下面选择fluid-l，它对应的边界条件类型为fluid，然后单击Set按钮打开fluid-1边界条件设置对话框，如图4.15所示。

在Motion对应的Motion Type下选择Moving Reference Frame，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Rotational Velocity项对应的Speed 中输入8．9。

图4.15fluid-1流体区域的边界条件设置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interface。

D）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interface。

E）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Wall Motion下面选中Moving Wall，说明它是运动的。

在此时展开的Motion对应项中选中Rotational，表明是转动。

如何转动可以选择Relative to Adjacent Cell Zone，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④定义交界面打开对话框如图4.17所示，具体操作如下：在Grid Interface中输入交界面的名称interface：在Interface zone 1下面选中fluid-inner，在Interface zone 2下面选中fluid-outer。

单击Create按钮创建交界面，通过这个交界面，fluid l和fluid2中的数据就能交流了。

图4.17网格交界面的设置⑤求解方法的设置及其控制A）操作：Solve→Controls→Solution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Compute from为All Zones，依次单击Init、Apply和Close按钮。

C）打开残差图。

操作：solve—Monitors—Residual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下面对应的数值均为0．0001。

D）开始迭代操作：Solver→Iterate在Number of Iteration（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。