一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及尾涡预报方法领域，特别是涉及一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方 法。
【背景技术】
[0002] 全世界对能源的需求日益增加。风能作为可再生能源代表，已成为许多国家可持 续发展战略的重要组成部分，截至2011年底中国的风机装机量累计达62GW，位居世界第 一。但盲目的扩张导致了产能过剩，据全球投资银行最新统计数据显示，2011年中国电网只 能接纳15GW-16GW，目前有20GW的风电容量无法被消化，因此中国风电业需要进一步思考 扩张计划。一种战略选择是：发挥沿海可再生能源的资源与地域优势，大规模发展海洋可再 生能源，这也充分体现了经济合理的能源发展观。因此，风机从陆上进入了浅海：风能与潮 流能核心转换装置是叶轮，按照结构形式主要分为水平轴与竖轴两种，其中水平轴形式是 商业主流。经验和研宄表明：同装机容量竖轴轮机造价是水平轴轮机造价的1/3。它以其 造价低廉、维护方便、对各种流向自适应，适合离网发电的特点适合作为沿海经济群特别是 海岛能源供给的主要来源。
[0003] 竖轴轮机的核心装置是叶轮，叶轮的流体动力特性对轮机的能量利用率有着至关 重要的作用。目前，叶轮的流体动力预报方法主要有三种：基于动量叶素理论的流管模型、 基于势涡理论的涡方法和基于求解N-S方程的粘性CFD方法。
[0004] 流管模型可以给出叶轮的能量利用率-速比特性、功率-流速（转速）特性、叶片 的平均载荷等叶轮总体流体特性，还可以给出制动面内流场流速分布等细节。但是，由于流 管模型基于无穷叶片平均假设，因而无法准确预报叶片的非定常特性和瞬时载荷；其次，动 量方程在大速比、高密实度下求解容易发散，因此不太适用于计算轮机重载时的流体特性。 涡方法能够有效地描述流场细节，但是也存在固有的缺陷：一是基于旋涡理论的方法是在 势流框架下建立的，因此当轮机工作在小速比时，叶片攻角幅值较大，易出现流动分离与动 态失速现象，粘性影响作用较大，计算容易发散；另一个是涡方法耗时较长，不能满足工程 快速预报叶轮流体性能的要求。粘性CFD方法计算则最为耗时，计算结果要求软件使用者 有着丰富的经验，适合作为轮机选型后的验证与精细设计时使用。
[0005] 由于竖轴风机与潮流能水轮机的能量转换装置是叶轮，叶轮的流体动力部件通常 是一组截面为翼型的叶片，如果忽略了自由表面效应、塔架效应、叶轮与支撑结构的干扰等 因素，单从理想叶轮的角度来分析竖轴轮机的流体动力学特性与机理，它可以从本质上可 以归结为多叶片绕流问题。叶片在做大攻角高频运动时传统的库塔条件并不适用，需要结 合适当的非定常库塔条件。
【发明内容】
[0006] 针对以上问题，本发明提供一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法，其在涡面元 法的基础上，结合一种新的库塔条件，发展了有限涡方法，该方法对动态失速现象有更好的 适应性，为达此目的，本发明提供一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法，具体步骤如下： 1)输入翼型周线坐标n i，ε i，进行势流求解和粘性边界层求解；所述势流求解先布置源汇 与中弧线线性涡，后结合库塔条件和法向不可穿透条件方程组得到源汇强度O i, γ ;
[0007] 所述方程组如下：
[0008] 建立大地坐标系（0:ΧΥ)，机翼局部坐标系为（〇:xy)。机翼的运动可以由局部坐标 参考点〇的平动速度U和机翼绕参考点〇转动的角速度Ω来描述；设来流为V a (t)，在无穷 远处速度为：
[0009] Va= (VxlVy) ⑴
[0010] 流体域τ 6内的场点P的速度势Φ (p, t)满足Laplace方程：
[0011] V2(I) = O (2)
[0012] 在机翼表面Sb上满足法向不可穿透条件：
[0013]
【主权项】
1. 一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法，具体步骤如下，其特征在于： 1)输入翼型周线坐标n i，ε i，进行势流求解和粘性边界层求解； 所述势流求解先布置源汇与中弧线线性涡，后结合库塔条件和法向不可穿透条件方程 组得到源汇强度σ i，γ ; 所述方程组如下： 建立大地坐标系（0:χγ)，机翼局部坐标系为（0:xy)，机翼的运动可以由局部坐标参考 点〇的平动速度U和机翼绕参考点〇转动的角速度Ω来描述；设来流为Va (t)，在无穷远处 速度为： Va= (VxlVy) (1) 流体域τ 6内的场点p的速度势Φ (p，t)满足Laplace方程： V 2Φ = 〇 (2) 在机翼表面Sb上满足法向不可穿透条件： =(υ + ΩχΓ)·η, (3) 其中r为机翼表面上的点在局部坐标系（o:x，y)下的矢径；nb为该点指向物体内部的 单位法向量： 速度势在无穷远处满足：Φ (P，t) ~ xVx+yVy p - m (4) 设扰动速度势为"则P满足如下定解问题： 控制方程：= O (5) 法向不可穿透条件=(?-'+Ωχι*)·η? (6) 远方条件：，W = 0 (7) 初始条件：▽#/，，〇)=〇 (8); 在机翼剖面中弧线Sm*布线性涡以模拟升力，中弧线坐标起点建立在机翼首缘导圆圆 心处，设中弧线弧长为Cf，取线性涡强度分布函数为： γ (s) = 2 yf (Cf-s)/Cf (9) 中弧线分布涡的总强度rf为：
在机翼表面Sb上分布常值源用以模拟厚度效应，从下表面尾缘处开始沿顺时针方向将 机翼表面离散为N个单元，记为Sbl，…，SbN，设第i个单元的常值源强度为〇 i;尾涡面S ￥用 离散的点涡近似代替，假设每一时间步脱泄单个尾涡，记第k时间步新生尾涡涡强为？， 这样奇点在流场中的任意场点P的速度势为：
对场点P求导，得诱导速度：
式（11)，式（12)中，σ和Γ分别代表分布奇点源、祸强度，其余表达如下：
设尾涡的总强度为rw，取时间序列： tk= kAt (k = 1, 2, ···) (17) tk时刻速度势P在机翼表面控制点处满足定解问题中式(6)的代数方程组为：
其中： -第j时间步尾涡的强度； A-物面上第i个单元控制点在机翼坐标下的矢径； Iii一物面上第i个单元控制点处的单位法向量； 影响系数表达如下： - -mj
ci，j= n i · K (Pi, Qw，j) i = 1，2,…，N ;J· = 1，2,…，k (21) 方程组（18)有N个方程，解是当前步分布奇点强度（〇 i，…，〇Ν，γ?，γν)τ和隐含的新 生尾涡位置rS，一共N+3个未知量，所以需要补充3个方程使原方程组封闭； 2) 尾涡脱泻根据环量定理确定尾涡位置求解尾涡涡强Ui，并求解翼型受力及力矩； 3) 求解翼型受力及力矩后，确定翼型下一时间步运动，根据相关数据绘制尾涡图形。
2.根据权利要求1所述的一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法，其特征在于：所述 步骤1库塔条件如下： Pu-Pd= ΔΡ (22) Kelvin定理
新生尾涡的位置 <〗根据下列经验公式确定[9] - % - /?(U - V, + Ω X Frir - Vri )Δ/ (24) 其中β为一常数，取0.4~0.6。
【专利摘要】本发明提供一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法，具体步骤如下：1）输入翼型周线坐标ηi，εi，进行势流求解和粘性边界层求解；2）尾涡脱泻根据环量定理确定尾涡位置求解尾涡涡强ωi,并求解翼型受力及力矩；3）求解翼型受力及力矩后，确定翼型下一时间步运动，根据相关数据绘制尾涡图形。本发明提供一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法，其在涡面元法的基础上，结合一种新的库塔条件，发展了有限涡方法，该方法对动态失速现象有更好的适应性。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104732109
【申请号】CN201510167283
【发明人】姜劲
【申请人】金陵科技学院
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年4月9日