fluent設(shè)計(jì)實(shí)例-風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪選擇分析

1、今航工，大孝工程計(jì)算方法及應(yīng)用軟件課題名稱風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)機(jī)翼分析姓名學(xué)院機(jī)械與汽車工程專業(yè)班級過程裝備與控制工程11-2班指導(dǎo)老師馬培勇目錄、物理過程的描述 1二、數(shù)學(xué)建模 11、模擬問題 12、數(shù)學(xué)方程描述 2三、網(wǎng)格的劃分 31、建立單葉片流動(dòng)模型：32、建立垂直軸風(fēng)力機(jī)模型 5四、邊界條件設(shè)置與求解計(jì)算 81、單葉片的數(shù)值模擬 82、垂直軸風(fēng)力機(jī)的數(shù)值模擬 15五、結(jié)果分析與總結(jié) 191、NACA4412 翼型周圍流場分析 192、垂直軸風(fēng)力機(jī)模擬分析 20六、軟件學(xué)習(xí)心得 23一、物理過程的描述風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為 2.74X

2、10A9MW,其中可利用的風(fēng)能為 2X10MW,比地球上可開發(fā)利用的水能總二、數(shù)學(xué)建模1、模擬問題建造一臺(tái)具有三個(gè)葉片的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)速為 7.5m/s 時(shí)效率最高，輸出功率為 5kw,轉(zhuǎn)速為 8.9rad/s。葉片翼型選用 NACA4412,最大半徑等于風(fēng)輪高度的一半。風(fēng)輪的幾何量還要大 10 倍。風(fēng)很早就被人們利用-主要是通過風(fēng)車來抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，大體上可分風(fēng)輪（包括尾舵卜發(fā)電機(jī)和鐵塔三部分。（大型風(fēng)力發(fā)電站基本上沒有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才會(huì)擁有尾舵）風(fēng)輪是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的重要部件，它由兩只（或更多只

3、）螺旋槳形的葉輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向漿葉時(shí)，槳葉上產(chǎn)生氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。槳葉的材料要求強(qiáng)度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其它復(fù)合材料（如碳名 f 維）來制造。圖 1.1 風(fēng)輪風(fēng)輪，葉片和翼型是風(fēng)能中最基本的概念，它是掌握風(fēng)能獲取機(jī)理的基礎(chǔ)，只有了解了這些概念，才能進(jìn)一步研究風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性問題。興趣的是如何利用風(fēng)來發(fā)電。圖 1.2 翼型相關(guān)概念示意圖尺寸為下表:高度（m）半徑（m）葉片弦長（m）8.44.212、數(shù)學(xué)方程描述控制方程N(yùn)avier-Stokes 方程和雙方程湍流模型無量綱化后在笛卡爾坐標(biāo)系中可以寫成如下守恒形式:Q=q1,q2.,q6Q=q1,q2.,q6T T, ,F Fi 為

4、對流通矢量，D 為粘性矢量，S 為源項(xiàng)，具體為:其中:二維可壓縮雷諾平均其中，E=e+u1u2/2+k 和 H=h+u1u2/2+k 分別是滯止內(nèi)能和滯止烙，k 是湍動(dòng)能。不是一般性，湍流流動(dòng)控制方程在任意曲線坐標(biāo)系中可寫成無量綱形式:其中，Q=q1,q2.,q6Q=q1,q2.,q6T對于連續(xù)方程、二維動(dòng)量方程、能量方程、低雷諾數(shù)雙方程湍流模型 6 個(gè)方程，J 為坐標(biāo)變換 Jacobian 行列式。F Fj為對流通量矢量，D 為粘性項(xiàng)，S 為源項(xiàng)，Re 為雷諾系數(shù)。湍流模型采用 K-?低雷諾數(shù)雙方程湍流模型。三、網(wǎng)格的劃分1、建立單葉片流動(dòng)模型：在網(wǎng)上搜索 NACA4412 翼型的相關(guān)坐標(biāo)數(shù)

5、值，并將數(shù)值導(dǎo)入 Gambit 中，創(chuàng)建機(jī)翼所在的平面，在 Gambit 中進(jìn)行單個(gè)葉片的建模。圖 3.1 單葉片模型建立葉片外部流動(dòng)區(qū)域圖 3.2 葉片及外部流動(dòng)區(qū)域劃分面網(wǎng)格MeshFacesApply 口嗝則Scfrerre;Elements:Type二lcl=l3=s:!E!slHI;ll:;si!sE3llKl=lcl=l3=s:!E!slHI;ll:;si!sE3llKl=“l(fā)llIBgHls;iBIH0ls;illlls;llllsaIHIBBKUl=1LHH!3HHH-X普!ll5Hall:Ed;8EU;aIz!39i;”安睛虱SE:“瑞溶纏”:;=Ksslaa:!:WEBSK

6、sslaa:!:WEBS“黑 :“:!SK;:!SK;:!羈is!:!:居修鵑: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:!:;:盟盤蜜mk!:53:選那錯(cuò)就迎噩密撰糕選鵑撾!E:EEK%:y9E:DC:;:戢01:!蔻著匿品:瞿IIIlliillllIMIHul

7、iB一lfflllslirlllIlllgsBllllllIltBBi弱段maasIHiIHi群器猾I(xiàn)DIE!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 響刈|hintervalsize_iOriljons: MB的 RemoveoldmeshJRemovelowermeshJIgnoresizefunctions坪 ply|Ftes-t|aDSQ圖

8、 3.4 單葉片的網(wǎng)格劃分圖 3.3 劃分面網(wǎng)格對話框SpecifyB口ur/laryTypesFLUtrjra/6丁些WALL5WALLWALLPRESSURE_OUTVELOCITY_INLE號WALL_JFntity:Ype7I-Ki產(chǎn)RemoveIEdit|Reset|Oose圖 3.5 邊界類型設(shè)置對話框邊界條件的設(shè)置如下表:邊界名稱邊界類型組成邊線InletVelocity-inletAC|OutletPressure-outletBDWalllWall葉片的上邊線Wall2Wall葉片的下邊線 J輸出并保存網(wǎng)格文件2、建立垂直軸風(fēng)力機(jī)模型創(chuàng)建弦長為 1m 的 dat 文件，并將其

9、導(dǎo)入 Gambit 中。設(shè)置邊界類Action:AddDeFeteYMocirtyYDeieleall_jShuwlabelsShu，colorsName:|Type;IFa-Namewallwall?wall1ojllelinieJLabel|xianchang-記，本文件舞梯 E1 格式宜看(V)-SBti(H)圖 3.1 弦長 1m 的 NACA4412 數(shù)據(jù)創(chuàng)建葉片所在平面、旋轉(zhuǎn)流場和外部流場將導(dǎo)入的坐標(biāo)點(diǎn)連線，并用構(gòu)面選項(xiàng)將其構(gòu)造成一個(gè)葉片的整體面。之后用畫圓工具分別繪制半徑為 4.2 與 10 的旋轉(zhuǎn)流場與外部流場。將葉片移動(dòng)旋轉(zhuǎn)至指定位置并復(fù)制成 3 個(gè),按照 120平均分布在旋

10、轉(zhuǎn)流場周圍。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劃分面網(wǎng)格分別對旋轉(zhuǎn)流場和外部流場劃分網(wǎng)格。(b)圖 3.3 劃分網(wǎng)格設(shè)置對話框叵剜則MHh生司向5|暨FHEN國到畫奧111和 FTF 口 pp#口門

11、”IirinvMijiian ?K 卬第|?rMnurjLUnu-iUMi：nuwljEacii?#曲Udi.7-pwrt-x-EVU.f-SEe.T:MAh.UfMMii：F”如JRflEEtMEFbJ?ZVHiFAUnrthjgigiiLiarufiEUM片冷燈?141nHl?OHM設(shè)置邊界類型和區(qū)域類型輸出網(wǎng)格文件四、邊界條件設(shè)置與求解計(jì)算1、單葉片的數(shù)值模擬(1)與網(wǎng)格相關(guān)的操作導(dǎo)入單葉片的網(wǎng)格文件檢查網(wǎng)格(b)圖 3.5 設(shè)置邊界類型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_的軸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圖 4.1 網(wǎng)格文件的導(dǎo)入與檢查確定長度的單位并顯示網(wǎng)格圖 4.2 長度單位設(shè)置對話框(2)選擇計(jì)算模型設(shè)置求解器，與流動(dòng)模型：因?yàn)榭諝鉃榭蓧嚎s流，故選用 DenslyBased。同時(shí)，由于空氣流速大，故選用 k-epsilon 湍流模型。圖 4.3 展示網(wǎng)格圖 4.4 求解器設(shè)置對話框圖 4.5K-?湍流模型設(shè)置對話框設(shè)置邊界條件：打開 BoundaryCondition 設(shè)置對話框，如圖 4.6 所示。圖 4.6 邊界選擇對話框設(shè)置入口速度邊界條件：A）在圖 4.6 所示的列表框中選擇 inlet,inlet 為進(jìn)風(fēng)口，要選擇進(jìn)風(fēng)速度，因此在右側(cè) Type 列表框中顯示其類型

15、為 Velocity-inlet,單擊 Set 按鈕，打開速度邊界設(shè)置對話框，如圖 4.7 所示。B）在 VelocitySpecificationMethod（速度給定方式）下拉列表中選擇 Magnitude,NormaltoBoundary（給速度的大小，速度方向垂直于邊界）。C）在 VelocityMagnitude（入口速度）文本框中輸入 8,表示進(jìn)風(fēng)速度為 8m/s,右側(cè)欄內(nèi)選擇 constant（常值）。D）保留其他設(shè)置。E）單擊 OK 按鈕關(guān)閉 inlet 設(shè)置對話框。圖 4.7 速度邊界設(shè)置對話框設(shè)置出口邊界條件：在 Zone 列表中單擊 outlet,再單擊 Set 按鈕，打

16、開 PressureOutlet 對話框，出口處不用做處理。圖 4.8 出口邊界設(shè)置對話框壁面的邊界條件保持默認(rèn)即可。(3)進(jìn)行求解A)求解參數(shù)的設(shè)置操作：SokeControlsfSolutionControls打開如 4.9 所示的對話框，選擇二階迎風(fēng)格式。圖 4.9 求解參數(shù)設(shè)置對話框B)流場初始化操作：SolverInitializefInitialization打開 SolutionInitialization 對話框，如圖 4.10 所示。在 Computerfrom 列表中選擇 inlet,單擊 Init 按鈕，再單擊 Close 按鈕關(guān)閉初始化對話框。圖 4.10 流場初始化對

17、話框C)打開殘差圖操作：SolvesMonitorsfResidual打開對話框如圖 4.11 所示，選才 iOption 下面 Plot,以便在計(jì)算時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示計(jì)算殘差,將 Convergence 全部設(shè)置為 0.00001,最后單擊 OK 按鈕。圖 4.11 殘差設(shè)置對話框D）開始迭代操作：SloveIterate在打開的對話框中，在 NumberofIteration（迭代次數(shù)）欄中輸入 1000。單擊 Iterate 按鈕開始計(jì)算。皿-?0 劉卸卻 m叩|卻 wm?Ds2WMsritom或次dRsdugXn21.2014FLUENT3(2(1,dbfisiirfi.akeK圖 4.12

18、 單葉片殘差圖E）保存 case 和 data 文件。2、垂直軸風(fēng)力機(jī)的數(shù)值模擬讀入網(wǎng)格文件并進(jìn)行相關(guān)操作。選擇計(jì)算模型。A）設(shè)置求解器。操作：DefineModelssolver打開 Soker 設(shè)置對話框，保留默認(rèn)設(shè)置，單擊 OK 按鈕關(guān)閉對話框。B）設(shè)置標(biāo)準(zhǔn) k 一占湍流模型。C）操作環(huán)境的設(shè)置。操作：DefineOperatingConditions保留默認(rèn)設(shè)置。設(shè)置邊界條件。操作：DefineBoundaryConditionsA）設(shè)置 fluid-1 流體區(qū)域的邊界條件。打開 BoundaryConditions 設(shè)置對話框，如圖 4.14 所示。圖 4.13 求解器設(shè)置對話框圖

19、4.14 邊界選擇對話框fluid-1 為葉輪所在的旋轉(zhuǎn)流場，因此要設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度。在應(yīng)的邊界條件類型為 fluid,然后單擊 Set 按鈕才 T 開 fluid-1 邊界條件設(shè)置對話框，如圖 4.15所示。在 Motion 對應(yīng)的 MotionType 下選擇 MovingReferenceFrame,利用它可以設(shè)置區(qū)域fluid-1 是可動(dòng)區(qū)域，它的運(yùn)動(dòng)方式可以是平動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)。在 RotationalVelocity 項(xiàng)對應(yīng)的 Speed中輸入 8.9。B）設(shè)置 fluid-2 流體區(qū)域的邊界條件。fluid-2 為外部流場，保留默認(rèn)設(shè)置即可。C）設(shè)置 fluid-inner 的邊界條件。在

20、 Zone 下面選擇 fluid-inner,對應(yīng)的邊界條件類型為 Wall,界條件需要改動(dòng)為 interfaceoD）設(shè)置fluid.outer 的邊界條件。在 Zone 下面選擇 fluid-outer,對應(yīng)的邊界條件類型為 Wall,界條件需要改動(dòng)為 interfaceoE）設(shè)置 fin 的邊界條件。在 Zone 下面選擇 fin,它對應(yīng)計(jì)算區(qū)域中的 3 個(gè)葉片，可見它對應(yīng)的邊界條件類型為Wall,然后單擊 Set 按鈕，打開對話框如圖 4.16 所示。在 Momentum 對應(yīng)的 WallMotion 下面選中 MovingWall,說明它是運(yùn)動(dòng)的。在此時(shí)展開的 Motion 對應(yīng)項(xiàng)中

21、選中 Rotational,表Zone 下面選擇 fluid-l,它對明是轉(zhuǎn)動(dòng)。如何轉(zhuǎn)動(dòng)可以選擇 RelativetoAdjacentCellZone,此時(shí) Speed 后面的數(shù)值為 0。以上設(shè)置就說明葉片是與以 8.9rad/s 轉(zhuǎn)動(dòng)的 fluid-1 區(qū)域是同步轉(zhuǎn)動(dòng)的。圖 4.16 葉片的運(yùn)動(dòng)定義對話框定義交界面打開對話框如圖 4.17 所示，具體操作如下：在 GridInterface 中輸入交界面的名稱 interface:在Interfacezone1 下面選中 fluid-inner,在 Interfacezone2 下面選中 fluid-outero單擊 Create 按鈕創(chuàng)建交

22、界面，通過這個(gè)交界面，fluidl 和 fluid2 中的數(shù)據(jù)就能交流了。圖 4.17 網(wǎng)格交界面的設(shè)置求解方法的設(shè)置及其控制A）操作：SokefControlsfSolution打開圖 4.18 所示的對話框，選擇二階迎風(fēng)格式圖 4.18 求解參數(shù)設(shè)置對話框B）流場初始化。打開初始化對話框，并設(shè)置 Computefrom 為 AllZones,依次單擊 Init、Apply 和 Close 按鈕。C）打開殘差圖。操作：solveMonitorsResidual打開殘差設(shè)置對話框，選擇 Option 下面的 Plot,以在計(jì)算時(shí)能夠動(dòng)態(tài)的顯示計(jì)算余差。并將 Convergence 下面對應(yīng)的數(shù)

23、值均為 0.0001。D）開始迭代操作：SolverIterate在 NumberofIteration（迭代次數(shù)）文本框中輸入 2000。單擊 Iterate 按鈕開始計(jì)算。結(jié)果如圖 4.19 所示。圖 4.19 垂直軸風(fēng)力機(jī)的數(shù)值模擬五、結(jié)果分析與總結(jié)1、NACA4412 翼型周圍流場分析顯示單葉片的壓力分布和速度分布。方法：Contours 面板打開，在 Options 下加選 Filled;在 ContoursOf 下拉列表框中依次選擇Pressure 和 Velocity,結(jié)果如圖 5.1 和圖 5.2 所示。(b)壓力分布圖(局部放大)圖 5.1 單葉片在流場中的壓力分布圖Scal

24、edResidualsJun22.2014FLUENT6.3(2d,pbvis.ske)latoileHOS?DCMtteraticmsResidualsccntmuilyx-wlocRyy-vetocityeosilM工用FL產(chǎn)r(a)壓力分布圖(a)速度分布圖(b)速度分布圖(局部放大)圖 5.2 單葉片在流場中的速度分布圖由圖 5.1 可以看出，在翼型上下表面有兩個(gè)等壓環(huán)，其中下面的等壓環(huán)值要大于上面的等壓環(huán)值。由圖 5.2 可以看出，在翼型周圍并無失速現(xiàn)象產(chǎn)生，即翼型周圍無分離渦出現(xiàn)，說明其氣動(dòng)性能較好。2、垂直軸風(fēng)力機(jī)模擬分析(1)顯木壓力分布圖在 contoursOf 下拉列表框中

25、選擇 Pressures,結(jié)構(gòu)如圖 5.3 所示。由圖可以看出，葉片處壓力波動(dòng)較大。cfS 肉&Pneaure(pa&cpl)Jun22.2014FLUENT6.3(2d.pbns.ske)(a)壓力分布云圖2事8船2.206+022086+02辦哪1036+0?151e+021琬 哪L迪+次11fl6+0105e+0Z9320+018.1TSH31丁班01(2)顯示速度分布圖在 ContoursOf 下拉列表框中選擇 Velocity,結(jié)構(gòu)如圖 578 所示。由圖 5.78 可以看出，垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片所在的圓域速度較大，向區(qū)域內(nèi)外速度逐漸減小，中心處速度為 0。葉片所在的圓域

26、速度變化較大。(a)速度分布云圖(b)壓力分布等值線圖圖 5.3 壓力分布圖ContoursofVHotityM 守加血 de(m/s)2.319+02-1通唯LMs唯1.51&+O21.399+02DfwjiQP9.326+0117B+017.026tQ1?亂則+口147le+Q13.56e+0li341D4011256+011.026+00ContourofStaticPressure(pasial)Jun22.2014FLUENT6.3(2d,ptxis,sks)(b)速度分布等值線圖5.4 速度分布圖(3)顯示速度矢量圖。打開 Vectors 設(shè)置對話框，在 Style 下拉列表框中選擇 arrow(箭頭)；在 scale 項(xiàng)，將比例因數(shù)增加到3:增大skip值為3;單擊Display按鈕，結(jié)果如圖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)圖5.5