风力发电机流场仿真测试方法及装置与流程

1.本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种风力发电机流场仿真测试方法及装置。


背景技术：

2.风力发电作为一种利用清洁绿色能源的方式，日益受到人们的关注和重视。风力发电机的仿真测试，对风力发电机设计和实施的高效性、可靠性、正确性和统一性具有重要意义。
3.现有技术中，可以基于计算流体动力学方法(computational fluid dynamics，cfd)对风力发电机进行仿真测试，但是，现有的风力发电机流场仿真测试方法，难以在风轮转速和叶片桨距角动态变化的过程中，准确的模拟风力发电机的流场变化。因此，如何在风轮转速和叶片桨距角动态变化的过程中准确的模拟风力发电机的流场变化，是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种风力发电机流场仿真测试方法及装置，用以解决现有技术中难以在风轮转速和叶片桨距角动态变化的过程中，准确的模拟风力发电机的流场变化，实现在风轮转速和叶片桨距角动态变化的过程中，更准确的模拟风力发电机的流场变化。
5.本发明提供一种风力发电机流场仿真测试方法，包括：
6.构建并基于风力发电机三维流场模型，对所述风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取所述风力发电机和所述三维流场模型在当前时刻的仿真数据；
7.基于所述仿真数据和所述风力发电机的控制策略，获取所述风力发电机在下一时刻的仿真控制参数；
8.基于所述仿真控制参数，更新所述三维流场模型中公转区的参考参考坐标系转速和所述三维流场模型中自转区的网格节点转速；
9.其中，所述三维流场模型，包括：自转区、公转区和静止区；所述自转区，沿所述风力发电机中叶片的变桨轴线的方向周向延伸，所述自转区的半径大于所述叶片表面与所述叶片的变桨轴线之间的最大距离；所述公转区和所述静止区沿所述风力发电机中风轮旋转轴线的方向周向延伸，所述公转区的半径大于所述叶片的长度，所述静止区嵌套于所述公转区的外部。
10.根据本发明提供的一种风力发电机流场仿真测试方法，所述三维流场模型中的公转区是基于多重参考系模型建立的，所述公转区中的网格节点的空间坐标固定，所述多重参考系模型用于为所述公转区增加相对转速。
11.根据本发明提供的一种风力发电机流场仿真测试方法，所述三维流场模型中的自转区是基于滑移网格模型建立的，所述网格节点可围绕所述自转区的中轴线转动，滑移网格模型用于改变所述网格节点和所述三维流场模型边界的位置，以模拟所述叶片变桨时的
流场变化。
12.根据本发明提供的一种风力发电机流场仿真测试方法，所述三维流场模型中，所述叶片的表面设置有边界层网格，且首层所述边界层网格的厚度满足预设条件；所述公转区与所述静止区采用共用网格节点的接触方式；所述自转区与所述公转区之间通过非共用节点的交界面实现数据传递；所述公转区的网格尺寸大于所述自转区的网格尺寸。
13.根据本发明提供的一种风力发电机流场仿真测试方法，所述自转区为圆柱体；所述自转区的中轴线与所述叶片的变桨轴线重合；所述自转区的一端与所述风力的旋转中心的距离为预设值；所述自转区的半径，基于所述叶片表面与所述叶片的变桨轴线之间的最大距离确定；所述自转区的长度基于所述叶片的长度确定。
14.根据本发明提供的一种风力发电机流场仿真测试方法，所述公转区为圆柱体，所述公转区的中轴线与所述风轮的旋转轴重合，所述风轮的旋转中心与所述公转区的中轴线的中点重合；所述公转区的半径基于所述自转区的长度确定；所述公转区的长度基于所述自转区的半径确定。
15.根据本发明提供的一种风力发电机流场仿真测试方法，所述静止区为环柱体；所述静止区的中轴线与所述风轮的旋转轴重合；所述静止区的外径基于所述公转区的半径确定；所述静止区进口边界与所述风力发电机中风轮组的距离，以及所述静止区出口边界与所述风轮组的距离，基于所述自转区的半径确定。
16.根据本发明提供的一种风力发电机流场仿真测试方法，所述三维流场模型由各叶片的三维流场模型构成；任一叶片的三维流场模型的边界为周期性对称边界。
17.本发明还提供一种风力发电机仿真测试装置，包括：
18.数据获取模块，用于构建并基于风力发电机三维流场模型，对所述风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取所述风力发电机和所述三维流场模型在当前时刻的仿真数据；
19.数据计算模块，用于基于所述仿真数据和所述风力发电机的控制策略，获取所述风力发电机在下一时刻的仿真控制参数；
20.仿真控制模块，用于基于所述仿真控制参数，更新所述三维流场模型中公转区的参考坐标系转速和所述三维流场模型中自转区的网格节点转速；
21.其中，所述三维流场模型，包括：自转区、公转区和静止区；所述自转区，沿所述风力发电机中叶片的变桨轴线的方向周向延伸，所述自转区的半径大于所述叶片表面与所述叶片的变桨轴线之间的最大距离；所述公转区和所述静止区沿所述风力发电机中风轮旋转轴线的方向周向延伸，所述公转区的半径大于所述叶片的长度，所述静止区嵌套于所述公转区的外部。
22.本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述风力发电机流场仿真测试方法。
23.本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述风力发电机流场仿真测试方法。
24.本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法及装置，通过基于风力发电机三维流场模型，对风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取风力发电机和三维流场
模型在当前时刻的仿真数据之后，基于上述仿真数据和风力发电机的控制策略，获取风力发电机下一时刻的仿真控制参数，基于上述仿真控制参数，更新上述三维流场模型中公转区的参考参考坐标系转速和上述三维流场模型中自转区的网格节点转速，能在风力发电机运行状态下，对风轮变速和叶片变桨过程进行非稳态计算流体动力学分析，仿真中考虑了风力发电机的变速变桨动作，获取的瞬态流场计算结果与实际情况更接近，能获取更准确的仿真测试结果，对提高风力发电机设计和实施的高效性、可靠性、正确性和统一性具有重要意义，在对不同叶片桨距角下的风力发电机流场进行稳态仿真计算时，通过控制自转区转动使叶片处于目标叶片桨距角，可以有效的减小流场计算前处理的时间成本。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法的流程示意图之一；
27.图2是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法中叶片的三维流场模型的剖面图；
28.图3是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法中叶片的三维流场模型的正视图；
29.图4是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法中叶片的三维流场模型的左视图；
30.图5是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法的流程示意图之二；
31.图6是本发明提供的风力发电机仿真测试装置的结构示意图；
32.图7是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.需要说明的是，基于传统的风力发电机流场仿真测试方法对风力发电机进行仿真测试时，可以在风力发电机中的风轮转速和叶片桨距角恒定的情况下，通过稳态计算，对风力发电机所在流场进行模拟。但是，传统的风力发电机流场仿真测试方法，在上述风轮转速和叶片桨距角动态变化的过程中，难以准确的模拟风力发电机的流场变化，并难以对风轮
的气动性能进行合理的预测。另外，传统的风力发电机流场仿真测试方法在稳态分析中，若要对多个桨距角下的流场进行计算，则需要重新调整叶片桨距角后，在对新的流场进行网格划分，导致前期处理的时间成本较高。
36.对此，本发明提供一种风力发电机流场仿真测试方法及装置。基于本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法，可以在风力发电机中的风轮转速和/或叶片桨距角动态变化的过程中，模拟风力发电机的流场变化，进而能更准确的获取风力发电机的仿真测试结果，对提高风力发电机气动设计和实施的高效性、可靠性、正确性和统一性具有重要意义。
37.图1是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法的流程示意图之一。下面结合图1描述本发明的风力发电机流场仿真测试方法。如图1所示，该方法包括：步骤101、构建并基于风力发电机三维流场模型，对风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取风力发电机当前时刻的仿真数据。
38.其中，三维流场模型，包括：自转区、公转区和静止区；自转区沿风力发电机中叶片的变桨轴线的方向周向延伸，自转区的半径大于叶片表面与叶片的变桨轴线之间的最大距离；公转区和静止区沿风力发电机中风轮旋转轴线的方向周向延伸，且静止区嵌套于公转区的外部；公转区的半径大于叶片的长度；
39.仿真数据，包括：上述三维流场模型中的风速分布、风轮的气动扭矩、风轮转速、叶片桨距角以及电机扭矩。
40.仿真控制参数，包括：风轮转速、叶片的变桨速度、公转区参考参考坐标系转速和自转区网格节点转速。其中，上述转速的正负可以表示上述网格节点的旋转方向。
41.具体地，计算流体动力学方法，是流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物。计算流体动力学方法通过将流体力学的控制方程中积分、微分项近似地表示为离散的代数形式，使其成为代数方程组，然后通过计算机求解这些离散的代数方程组，可以获得离散的时间/空间点上的数值解。
42.图2是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法中叶片的三维流场模型的剖面图。图3是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法中叶片的三维流场模型的正视图。图4是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法中叶片的三维流场模型的左视图。
43.基于上述各实施例的内容，三维流场模型由各叶片的三维流场模型构成；任一叶片的三维流场模型的边界为周期性对称边界。
44.需要说明的是，图2至图4所示的为风力发电机中任一叶片1的三维流场模型。上述叶片1的三维流场模型包括自转区2、公转区3和静止区4。将各叶片1的三维流场模型进行组合，可以获得风力发电机三维流场模型。
45.可以基于风力发电机的结构参数，构建风力发电机三维流场模型。可以基于k-omega sst模型或transition sst模型进行湍流流场的建模，可以基于coupled算法进行压力速度耦合，对流项的空间差值可以采用满足二阶精度的数值格式。其中，k-omega sst模型和transition sst模型为泛使用的湍流模型。
46.需要说明的是，由于风力发电机中叶片的分布具有周期性和对称性，因此创建风力发电机三维流场模型时，可以仅创建风力发电机中任一叶片1的三维流场模型，并利用叶片1分布的周期性和对称性，获得风力发电机三维流场模型。其中，叶片1的三维流场模型中，流场两侧为周期性对称边界，周期性对称边界可以使得上述三维流场模型中的网格数
量降低至模拟整个风力发电机中风轮的三维流场模型的三分之一。
47.风力发电机三维流场模型的进口可以采用速度边界条件，出口可以采用压力边界条件。
48.风力发电机中的每一叶片1与一个自转区2对应。自转区2沿叶片1的变桨轴线的方向周向延伸，使得叶片1被自转区2完全包裹。
49.需要说明的是，在风力发电机三维流场模型中未设置自转区的情况下，对于不同桨距角下的情况，需要多次调整叶片的桨距角，并对流场进行多次网格划分。本发明实施例中的三维流场模型的自转区，在叶片变桨的过程中，可以直接旋转自转区的网格即可，不需要对整个流场模型进行网格划分。
50.需要说明的是，本发明实施例中自转区2的网格节点可以旋转，且上述网格节点的转速与风力发电机的叶片桨距角相关。基于风力发电机的叶片桨距角，可以控制上述网格节点的转速，从而可以在风力发电机仿真测试的过程中，在上述叶片桨距角动态变化的过程中，对风力发电机的流场变化进行模拟。
51.需要说明的是，自转区2中的网格节点，包括叶片壁面的网格节点。
52.公转区3沿风力发电机中风轮旋转轴线的方向周向延伸，使得自转区2被公转区3完全包裹。
53.静止区4嵌套于公转区3的外部，并沿风力发电机中风轮旋转轴线的方向周向延伸，使得公转区3被静止区4完全包裹。
54.通常情况下，风力发电机中叶片的数量为3个。以下以风力发电机中叶片1的数量为3个为例，说明本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法。
55.如图2至图4所示，风力发电机中叶片1的三维流场模型中，叶片1对应的静止区4和公转区3的截面均为扇形。上述扇形的圆心为风力发电机中风轮的旋转中心，上述扇形的圆心角为360
°
/叶片数量。在风力发电机中叶片的数量为3个的情况下，上述扇形的圆心角均为120
°
。
56.对风力发电机进行流体动力学仿真时，可以根据仿真需求设定风力发电机来流的风速数据。上述风速数据可以为单调递增的时序数据、单调递减的时序数据、满足湍流风谱的脉动时序数据或满足特定函数的时序数据。
57.可选地，本发明实施例中可以采用fluent软件，对风力发电机进行流体动力学仿真。
58.在风力发电机来流的风速数据为满足湍流风谱的脉动时序数据的情况下，可以采用fluent软件的profile文件功能，模拟风速随时间的变化，即可以根据profile文件中的数据，对不同时刻下流场进口边界的风速进行定义。
59.在风力发电机来流的风速数据为满足特定函数的时序数据的情况下，可以通过fluent软件的二次开发模块(udf)中的define_profile宏，对不同时刻下流场进口边界的风速进行定义。
60.在基于风力发电机三维流场模型对风力发电机进行流体动力学仿真的过程中，可以通过上述方法获取当前时刻上述三维流场模型进口边界的风速。
61.步骤102、基于仿真数据和风力发电机的控制策略，获取风力发电机在下一时刻的仿真控制参数。
62.具体地，基于风力发电机三维流场模型中当前时刻的风速、风轮气动扭矩、风轮转速(等同于公转区的参考参考坐标系转速)，叶片桨距角，可以采用计算流体动力学方法，依据风力发电机的控制策略，执行相应的风轮转速控制算法，进行瞬态数值计算，获得风力发电机下一时刻的风轮转速和叶片的变桨速度。
63.根据当前时刻风轮的气动扭矩和风轮转速，可以计算得到当前时刻风轮的输出功率；根据当前时刻上述三维流场模型中的风速、风轮的输出功率、风轮转速和叶片桨距角，基于控制算法可以计算得到当前时刻的电机扭矩；根据当前时刻风轮的气动扭矩、电机扭矩和叶片的转动惯量(叶片固有属性)，可以计算得到当前时刻风轮的旋转加速度；根据当前时刻与下一时刻之间的间隔时长、当前时刻的风轮转速和风轮的加速度，可以计算得到风力发电机下一时刻的风轮转速。
64.根据当前时刻与下一时刻之间的间隔时长、当前时刻的叶片桨距角和叶片的变桨加速度，计算得到下一时刻叶片的变桨速度。
65.需要说明的是，风力发电机下一时刻的风轮转速，可以与风力发电机当前时刻的风轮转速相同或不同。风力发电机下一时刻的变桨速度，可以与风力发电机当前时刻的变桨速度相同或不同。
66.需要说明的是，风力发电机的控制策略，可以包括但不限于风力发电机启动变桨的临界风速。风力发电机的控制策略可以基于先验知识预先确定。本发明实施例中对风力发电机的控制策略不作具体限定。
67.步骤103、基于仿真控制参数，更新三维流场模型中公转区的参考坐标系转速和三维流场模型中自转区的网格节点转速。
68.具体地，基于风力发电机下一时刻的风轮转速，可以获取下一时刻公转区3的参考坐标系转速，并可以对下一时刻公转区3的参考坐标系转速进行更新。
69.基于风力发电机下一时刻叶片的变桨速度，可以获取自转区2的网格节点转速，并可以对下一时刻自转区2的网格节点转速进行更新。
70.以下通过一个实例说明本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法。
71.将仿真初始时刻上述三维流场模型中的风速设定为5m/s，在仿真过程中，上述三维流场模型中的风速的变化由一个随机生成的时序数据确定。将仿真初始时刻风轮转速设定为3rpm，叶片桨距角设定为0
°
。其中，在叶片桨距角为0
°
的情况下，叶片完全展开。
72.基于风力发电机三维流场模型，对风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，可以获取当前时刻上述三维流场模型中的风速、各叶片受到的扭矩、风轮转速和叶片桨距角。进一步获取当前时刻各叶片受到的扭矩之和，可以获取当前时刻的风轮气动扭矩。
73.根据当前时刻的风轮气动扭矩、风轮转速，可以计算得到当前时刻风轮的输出功率。
74.根据当前时刻风轮的输出功率、风轮转速和叶片桨距角，基于控制算法，可以计算得到当前时刻的电机扭矩和叶片的变桨加速度。
75.根据当前时刻的风轮气动扭矩、电机扭矩和叶片的转动惯量，可以计算出当前时刻风轮的旋转加速度。
76.根据当前时刻与下一时刻之间的间隔时长、当前时刻的风轮转速和风轮的旋转加速度，计算得到下一时刻的风轮转速。
77.根据当前时刻与下一时刻之间的间隔时长、当前时刻的叶片桨距角和叶片的变桨加速度，计算得到下一时刻叶片的变桨速度。
78.根据下一时刻的风轮转速，更新公转区的参考坐标系转速，根据下一时刻叶片的变桨速度，更新自转区的网格节点转速，以使得叶片转动至下一时刻的叶片桨距角。
79.本发明实施例通过构建并基于风力发电机三维流场模型，对风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取风力发电机和三维流场模型在当前时刻的仿真数据之后，基于上述仿真数据和风力发电机的控制策略，获取风力发电机下一时刻的仿真控制参数，基于上述仿真控制参数，更新上述三维流场模型中公转区的参考参考坐标系转速和上述三维流场模型中自转区的网格节点转速，能在风力发电机运行状态下，对风轮变速和叶片变桨过程进行非稳态计算流体动力学分析，仿真中考虑了风力发电机的变速变桨动作，获取的瞬态流场计算结果与实际情况更接近，能获取更准确的仿真测试结果，对提高风力发电机设计和实施的高效性、可靠性、正确性和统一性具有重要意义，在对不同叶片桨距角下的风力发电机流场进行稳态仿真计算时，通过控制自转区转动使叶片处于目标叶片桨距角，可以有效的减小流场计算前处理的时间成本。
80.基于上述各实施例的内容，包括：三维流场模型中的公转区是基于多重参考系模型建立的，公转区中的网格节点的空间坐标固定，多重参考系模型用于为公转区增加相对转速。
81.具体地，三维流场模型可以基于笛卡尔坐标系构建。
82.多重坐标系模型(mrf模型)，是一种定常计算模型，模型中假定网格单元做匀速运动，这种方法适用于网格区域边界上各点的相对运动基本相同的问题。大多数时均流动都可以用mrf模型进行计算，特别是运动网格区域与静止网格区域间的相互作用比较微弱时可以使用mrf模型进行计算，例如搅拌器内流场计算、泵和风机内流场计算等等。mrf模型的另一个用途是用来为滑动网格模型计算提供初始流场，即先用mrf模型粗略算出初始流场，再用滑动网格模型完成整个计算。
83.需要说明的是，通过mrf模型为公转区3的参考坐标系添加旋转速度分量，可以以等效模拟风轮旋转运动引起的流场变化。通过改变mrf模型的转速，可以实现风轮变转速过程中风轮附近流场的模拟。风轮的转动速度与风轮的气动扭矩，电机扭矩，叶片的转动惯量(叶片的固有属性)相关。
84.本发明实施例中采用mrf模型对公转区3的参考坐标系添加旋转速度分量，配合周期性对称边界，可以在风力发电机中的风轮转速动态变化的过程中，模拟风力发电机中整个风轮附近的旋转流场。
85.基于上述各实施例的内容，三维流场模型中的自转区是基于滑移网格模型建立的，网格节点可围绕自转区的中轴线转动，滑移网格模型用于改变网格节点和三维流场模型边界的位置，以模拟叶片变桨时的流场变化。
86.具体地，滑移网格模型，是在计算过程中，移动单元区域沿网格分界面滑动，移动网格区域内部网格保持不变。这特点使得滑移网格模型在数值模拟当有旋转区域相关问题时，具体较大优势。
87.本发明实施例中采用滑移网格模型，对自转区2中网格节点的转动进行建模，从而可以在获取下一时刻自转区2中网格节点的转速之后，可以基于滑移网格模型控制自转区2
中的网格节点运动，按照上述转速，绕自转区2包裹的叶片的变桨轴线转动，从而可以在风力发电机中叶片桨距角动态变化的过程中，模拟风力发电机中每一叶片附近的旋转流场。
88.图5是本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法的流程示意图之二。本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法在fluent软件中的实现过程如图5所示。
89.通过fluent软件的多个二次开发模块(udf)对fluent软件中的求解器进行二次开发，流场进口的风速函数可以通过define_profile宏为主体的udf模块实现。
90.在当前时刻的数值迭代完成后，获取风力发电机当前时刻的瞬时仿真数据，并将风力发电机当前时刻的瞬时仿真数据传递至define_adjust宏为主体的udf中，采用compute_force_and_moment宏提取叶片的气动载荷，并计算出风轮扭矩和输出功率。通过判断风力发电机是否达到额定转速和是否超过额定功率，可以依据风力发电机的控制策略，执行相应的风轮转速和叶片桨距角控制算法，确定风力发电机下一时刻的风轮转速和叶片桨距角。
91.通过define_zone_motion宏，对自转区2的滑移网格模型的转速，公转区3的mrf多重参考系模型的转速进行调节。
92.随着仿真时间的推进，在下一时刻成为当前时刻时，重复上述计算过程。
93.基于上述各实施例的内容，三维流场模型中，叶片的表面设置有边界层网格，且首层边界层网格的厚度满足预设条件；公转区与静止区采用共用网格节点的接触方式；自转区与公转区之间通过非共用节点的交界面实现数据传递；公转区的网格尺寸大于自转区的网格尺寸。
94.具体地，在风力发电机三维流场模型的空间离散化中，叶片1表面需设置边界层网格，且首层边界层网格的厚度满足预设条件。
95.可选地，考虑到转捩效应的影响，预设条件可以包括：以y+小于1为目标确定首层边界层网格的厚度。其中，y+是本领域用于衡量网格厚度是否合适的基本指标。
96.公转区3与静止区4可以采用共用网格节点的接触方式，自转区2与公转区3通过非共用节点的交界面实现数据传递。
97.对风力发电机三维流场模型进行网格划分时，可以首先根据风轮转速、弦长、风速、空气密度和动力粘度等参数，计算出雷诺数(re数)沿叶片展向的分布情况；其次，以y+小于1为目标确定首层边界层网格的厚度，计算出首层壁面网格厚度；再次，以1.05的递增因子生成15～20层边界层网格。
98.自转区2采用结构化网格的生成方式，(例如：可以使用icem软件中的“o-block”进行剖分)，自转区2中的网格节点与公转区3不对应，但需保证自转区2与公转区3的交接面两侧的网格面积比小于4。
99.静止区4可以与公转区3共用网格节点。静止区4和公转区3采用非结构化网格。
100.静止区4和公转区3的网格尺寸大于自转区2的网格尺寸。
101.本发明实施例中三维流场模型中，叶片的表面设置有边界层网格，且首层边界层网格的厚度满足预设条件，公转区与静止区采用共用网格节点的接触方式，自转区与公转区之间通过非共用节点的交界面实现数据传递，公转区的网格尺寸大于自转区的网格尺寸，能在风力发电机中的风轮转速和/或叶片桨距角动态变化的过程中，更准确的模拟风力发电机的流场变化。
102.基于上述各实施例的内容，自转区为圆柱体；自转区的中轴线与叶片的变桨轴线重合；自转区的一端与风轮的旋转中心之间的距离为预设值；自转区的半径，基于叶片表面与叶片的变桨轴线之间的最大距离确定；自转区的长度基于叶片的长度确定。
103.具体地，如图2至图4所示，自转区2为圆柱体，且自转区2的中轴线与叶片1的变桨轴线重合。
104.自转区2有两端，其中一端与风力发电机的风轮的旋转中心之间的距离为预设值。
105.可选地，上述预设值的取值范围可以在4至8厘米之间，例如：预设值的取值可以为4厘米、6厘米或8厘米。
106.自转区2的半径r1，即上述圆柱体的底面半径，可以基于叶片1表面与叶片1的变桨轴线之间的最大距离确定。
107.可选地，自转区2的半径r1可以为上述最大距离的1至2倍，例如，自转区2的半径r1可以为上述最大距离的1倍、1.5倍或2倍。
108.优选地，自转区2的半径r1可以为上述最大距离的1.5倍。
109.自转区2的长度h1，即上述圆柱体的高，可以基于叶片1的长度h确定。
110.可选地，自转区2的长度h1可以比叶片1的长度h长0.5至1米，例如：自转区2的长度h1可以比叶片1的长度h长0.5米、0.75米或1米。
111.本发明实施例中自转区为圆柱体，自转区的中轴线与叶片的变桨轴线重合，自转区的一端位于风轮的旋转中心，自转区的半径基于叶片表面与叶片的变桨轴线之间的最大距离确定，自转区的长度基于叶片的长度确定，能在风力发电机中的叶片桨距角动态变化的过程中，更准确的模拟风力发电机每一叶片附近的旋转流场。
112.基于上述各实施例的内容，公转区为圆柱体，公转区的中轴线与风轮的旋转轴线重合，风轮的旋转中心与公转区的中轴线的中点重合；公转区的半径基于自转区的长度确定；公转区的长度基于自转区的半径确定。
113.具体地，如图2至图4所示，公转区3为圆柱体，且公转区3的中轴线与风力发电机中风轮的旋转轴线重合，上述风轮的旋转中心与公转区3的中轴线的中点重合。
114.公转区3的半径r2，即上述圆柱体的底面半径，可以基于自转区2的长度h1确定。
115.可选地，公转区3的半径r2可以为自转区2的长度h1的1.05至1.1倍，例如，公转区3的半径r2可以为自转区2的长度h1的1.05倍、1.075倍或1.1倍。
116.公转区3的长度h2，即上述圆柱体的高，可以基于自转区2的半径r1确定。
117.可选地，公转区3的长度h2可以为自转区2的半径r1的3至4倍，例如：公转区3的长度h2可以为自转区2的半径r1的3倍、2.5倍或4倍。
118.本发明实施例中公转区为圆柱体，公转区的中轴线与风轮的旋转轴线重合，风轮的旋转中心与公转区的中轴线的中点重合，公转区的半径基于自转区的长度确定，公转区的长度基于自转区的半径确定，能在风力发电机中的风轮转速动态变化的过程中，更准确的模拟风力发电机中整个风轮的旋转流场。
119.基于上述各实施例的内容，静止区为环柱体；静止区的中轴线与风轮的旋转轴线重合；静止区的外径基于公转区的半径确定；静止区的进口边界与风力发电机中风轮组的距离，以及静止区出口边界与风轮组的距离，基于自转区的半径确定。
120.具体地，如图2至图4所示，静止区4嵌套于公转区3的外部，静止区4为环柱体，且静
止区4的中轴线与风轮的旋转轴线重合。
121.静止区4的内径r3为公转区3的半径r2。
122.静止区4的外径r4可以基于公转区3的半径r2确定。
123.可选地，静止区4的外径r4可以为公转区3的半径r2的1.5至2倍，例如：静止区4的外径r4可以为公转区3的半径r2的1.5倍、1.75倍或2倍。
124.静止区4的进口边界，为上述圆柱体中的两个圆形面中，来流首先通过的一个圆形面。静止区4的出口边界，为上述圆柱体中的两个圆形面中，来流后通过的一个圆形面。
125.静止区4的进口边界与风轮组的距离h3，可以基于自转区2的半径r1确定。
126.可选地，静止区4的进口边界与风轮组的距离h3，需大于自转区2的半径r1的8至12倍，例如：静止区4的进口边界与风轮组的距离h3，需大于自转区2的半径r1的8倍、10倍或12倍。
127.优选地，静止区4的进口边界与风轮组的距离h3，需大于自转区2的半径r1的10倍。
128.静止区4的出口边界与风轮组的距离h4，也可以基于自转区2的半径r1确定。
129.可选地，静止区4的出口边界与风轮组的距离h4，需大于自转区2的半径r1的18至22倍，例如：静止区4的出口边界与风轮组的距离h4，需大于自转区2的半径r1的18倍、20倍或22倍。
130.优选地，静止区4的出口边界与风轮组的距离h4，需大于自转区2的半径r1的20倍。
131.本发明实施例中静止区为环柱体，静止区的中轴线与风轮的旋转轴线重合，静止区的外径基于公转区的半径确定，静止区的进口边界与风轮组的距离，以及静止区出口边界与风轮组的距离，基于自转区的半径确定，能在风力发电机中的风轮转速和叶片桨距角动态变化的过程中，更准确的模拟风力发电机的流场变化。
132.图6是本发明提供的风力发电机仿真测试装置的结构示意图。下面结合图6对本发明提供的风力发电机仿真测试装置进行描述，下文描述的风力发电机仿真测试装置与上文描述的本发明提供的风力发电机流场仿真测试方法可相互对应参照。如图6所示，该装置包括：数据获取模块601、数据计算模块602和仿真控制模块603。
133.数据获取模块601，用于构建并基于风力发电机三维流场模型，对风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取风力发电机和三维流场模型在当前时刻的仿真数据。
134.数据计算模块602，用于基于仿真数据和风力发电机的控制策略，获取风力发电机在下一时刻的仿真控制参数。
135.仿真控制模块603，用于基于仿真控制参数，更新三维流场模型中公转区的参考坐标系转速和三维流场模型中自转区的网格节点转速；
136.其中，三维流场模型，包括：自转区、公转区和静止区；自转区，沿风力发电机中叶片的变桨轴线的方向周向延伸，自转区的半径大于叶片表面与叶片的变桨轴线之间的最大距离；公转区和静止区沿风力发电机中风轮旋转轴线的方向周向延伸，公转区的半径大于叶片的长度，静止区嵌套于公转区的外部。
137.具体地，数据获取模块601、数据计算模块602和仿真控制模块603电连接。
138.在基于风力发电机三维流场模型对风力发电机进行流体动力学仿真的过程中，数据获取模块601可以用于构建上述三维流场模型，并获取上述三维流场模型中的风速分布、
风轮的气动扭矩、风轮转速、叶片桨距角以及电机扭矩。
139.数据计算模块602可以用于基于当前时刻的仿真数据以及风力发电机的控制策略，基于计算流体动力学方法，进行瞬态数值计算，获得风力发电机下一时刻的电机扭矩。
140.仿真控制模块603可以用于基于风力发电机下一时刻的电机扭矩，获取下一时刻公转区3的参考坐标系转速，并对下一时刻公转区3的参考坐标系转速进行更新。仿真控制模块603可以用于风力发电机下一时刻的变桨速度，获取自转区2的网格节点转速，并可以对下一时刻自转区2的网格节点转速进行更新。
141.可选地，风力发电机仿真测试装置还可以包括模型构建模块。
142.模型构建模块可以用于构建三维流场模型。
143.本发明实施例通过构建并基于风力发电机三维流场模型，对风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取风力发电机和三维流场模型在当前时刻的仿真数据之后，基于上述仿真数据和风力发电机的控制策略，获取风力发电机下一时刻的仿真控制参数，基于上述仿真控制参数，更新上述三维流场模型中公转区的参考参考坐标系转速和上述三维流场模型中自转区的网格节点转速，能在风力发电机运行状态下，对风轮变速和叶片变桨过程进行非稳态计算流体动力学分析，仿真中考虑了风力发电机的变速变桨动作，获取的瞬态流场计算结果与实际情况更接近，能获取更准确的仿真测试结果，对提高风力发电机设计和实施的高效性、可靠性、正确性和统一性具有重要意义，在对不同叶片桨距角下的风力发电机流场进行稳态仿真计算时，通过控制自转区转动使叶片处于目标叶片桨距角，可以有效的减小流场计算前处理的时间成本。
144.图7示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)710、通信接口(communications interface)720、存储器(memory)730和通信总线740，其中，处理器710，通信接口720，存储器730通过通信总线740完成相互间的通信。处理器710可以调用存储器730中的逻辑指令，以执行风力发电机流场仿真测试方法，该方法包括：构建并基于风力发电机三维流场模型，对风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取风力发电机和三维流场模型在当前时刻的仿真数据；基于仿真数据和风力发电机的控制策略，获取风力发电机在下一时刻的仿真控制参数；基于仿真控制参数，更新三维流场模型中公转区的参考参考坐标系转速和三维流场模型中自转区的网格节点转速；其中，三维流场模型，包括：自转区、公转区和静止区；自转区，沿风力发电机中叶片的变桨轴线的方向周向延伸，自转区的半径大于叶片表面与叶片的变桨轴线之间的最大距离；公转区和静止区沿风力发电机中风轮旋转轴线的方向周向延伸，公转区的半径大于叶片的长度，静止区嵌套于公转区的外部。
145.此外，上述的存储器730中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
146.另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的风力发电机流场仿真测试方法，该方法包括：构建并基于风力发电机三维流场模型，对风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取风力发电机和三维流场模型在当前时刻的仿真数据；基于仿真数据和风力发电机的控制策略，获取风力发电机在下一时刻的仿真控制参数；基于仿真控制参数，更新三维流场模型中公转区的参考参考坐标系转速和三维流场模型中自转区的网格节点转速；其中，三维流场模型，包括：自转区、公转区和静止区；自转区，沿风力发电机中叶片的变桨轴线的方向周向延伸，自转区的半径大于叶片表面与叶片的变桨轴线之间的最大距离；公转区和静止区沿风力发电机中风轮旋转轴线的方向周向延伸，公转区的半径大于叶片的长度，静止区嵌套于公转区的外部。
147.又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的风力发电机流场仿真测试方法，该方法包括：构建并基于风力发电机三维流场模型，对风力发电机进行当前时刻的瞬态流体动力学仿真，获取风力发电机和三维流场模型在当前时刻的仿真数据；基于仿真数据和风力发电机的控制策略，获取风力发电机在下一时刻的仿真控制参数；基于仿真控制参数，更新三维流场模型中公转区的参考参考坐标系转速和三维流场模型中自转区的网格节点转速；其中，三维流场模型，包括：自转区、公转区和静止区；自转区，沿风力发电机中叶片的变桨轴线的方向周向延伸，自转区的半径大于叶片表面与叶片的变桨轴线之间的最大距离；公转区和静止区沿风力发电机中风轮旋转轴线的方向周向延伸，公转区的半径大于叶片的长度，静止区嵌套于公转区的外部。
148.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
149.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
150.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。