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1、水平轴风力涡轮机载荷计算简介2010-08-20 00:20 niwei_20xx受浚哲文明兄启发，我也想自己写一个系列，介绍自己的工作内容，也回报论坛上大家的帮助。当然我的文章含金量不如他那么高。欢迎大家拍砖！这个系列不是非常正式的教程、指南等材料，我想到哪里就写到哪里，但是我也一定认真写，大家有兴趣可以补充，欢迎批评指正，转载随便，但请注明出处。 水平轴风力涡轮机载荷计算简介-空气动力载荷 上面的图片是使用MSC.ADAMS和Aerodyn计算载荷的例子。这里我说的空气动力载荷，只要指风力涡轮机运行当风对叶片的力。当然为了使计算结果准确一点，模型的叶片、塔桶都是可以随着载荷的变化而变形的。
2、变桨和偏航等动作，也都对载荷有决定性影响，因此现在通用的软件也都可以考虑变桨和偏航。引用NREL（National Renewable Energy Laboratory）的话来说，这就叫做Aero-Elastic-Servo耦合仿真。NREL是一个很无私的机构，他们开发的软件和成果都无偿放在网上了让大家免费使用，还可以随便修改。在我这个简介系列当中，他们将会多次出现。 这个动载荷计算，它不是有限元计算，而是刚体-柔体动力学计算。空气动力载荷变大时，叶片变形也变大，那么攻角也会改变。这样一个“你变我也跟着变”的过程，显然需要大量迭代计算才能得到比较准确的结果，如果用有限元的方法来建模计算，计算
3、量恐怕会吓死人。所以行业里通用模态近似方法来模拟叶片等部件，这样计算量就可以缩减的很小。目前我所听说过、用过的计算软件组合：ANSYS(静载荷，生成柔性体)+Simpack(刚体-柔性体气动)；MSC.Nastran+MSC.ADAMS。这两个组合是自由度极高的，因为Simpack和ADAMS都是通用动力学仿真软件，用户可以自由构建任何机械结构，甚至可以跟其他软件连接进行液压耦合仿真。其中ANSYS+Simpack组合在德国很受欢迎，不少公司都用这个。MSC的软件目前就是我所在的公司，GE和Enercon在用。MSC正在开发简化建模工具，只是不知道何年何月才能正式发布。上面说的是大型的结构仿真
4、软件，这些软件自己没有专门的空气动力计算功能，需要外接其它软件来计算，Simpack用Flex5做空气动力求解器；MSC.ADAMS用Aerodyn做空气动力求解器。但是也有很多软件生来就是计算风轮机载荷的，比如著名的GH公司的Bladed, NREL的FAST，荷兰ECD的PHATAS等。欧洲一些大学也都有自己编制的软件来计算风轮机载荷，比如丹麦RISOE的HAWC，荷兰TU Delft的DUWECS等。我自己只用过Bladed, FAST和MSC公司的软件，其他的我无法多做评价。 由于我对NREL的软件最熟悉，后面的文章中我会列出一个用NREL的软件模拟风力发电机的流程，并且在用到具体软件
5、时用例子展开。下面这个图是简单的NREL软件之间的联系： 好了，第一篇文章就到这里了。下一篇文章讲一下建模的流程和如何获取翼型的升阻力系数。水平轴风力涡轮机载荷计算简介(2)2010-08-21 22:22 niwei_20xx我又回来了，不说废话,这就开讲。再上次文章的末尾，我帖出了一个NREL软件的图表。这个图是去年4月份画的，后来发布的软件Hydrodyn和Harp_Opt就没有加进去。Hydrodyn计算海浪载荷；Harp_Opt是一个正向的优化软件，可以根据用户的目标函数(比如Annual Energy Production,最小叶片重量等)，根据用户提供的风速统计分布自动优化叶片的
6、形状，包括弦长分布，扭转角度，翼型分布等等。这是个重磅炸弹，可以替设计公司完成很多累活儿。后面我会简单介绍Harp_Opt。Hydrodyn目前只有源代码，用户手册和理论手册都没有编制，我自己对浪载计算也没有经验，就只能等高手来补充了。 上次曾经有朋友回帖问图中的Preprocessor, Simulator和Postprocessor都是什么，根据什么来划分。其实这个分类是NREL的软件发布页面上采用的分类方式。Preprocessor就是前处理器，前处理的最终结果就是一个可以模拟风轮机的模型，按一个命令下去马上就可以仿真、计算了。前处理过程中，我们要完成以下的工作：1.准备翼型数据。翼型表
7、示为很多点的坐标，把这些坐标保存在文本文件中用来求取升力和阻力系数。翼型可以去UIUC的数据库中查阅：http:/www.ae.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.html这里有很多翼型已经收录了升阻力系数，如果这些升阻力系数的雷诺数范围和最终叶片上该翼型的雷诺数范围相符，那么就可以直接使用。否则还是需要再次计算的。有了翼型坐标以后就使用Xfoil等软件计算翼型的升阻力系数。2.准备叶片的参数。具体包括翼型分布（从叶根到叶尖，内部20%用什么翼型，再往外30%用什么翼型.），弦长分布，扭转角度分布。只用前面这些数据，再加上风轮机的轮毂高度，叶片长度，
8、锥角和倾角就可以进行载荷初步估算，当然这时假设叶片和塔筒都是刚体。3.准备结构参数。叶片的质量分布（线密度），扭转和弯曲刚度。塔筒的质量分布，扭转和弯曲刚度。然后利用NREL的Modes软件计算出模态，并且用6次多项式近似模态形状，只保留多项式的系数。4.收集整机的参数。轮毂高度，转速调节方式，发电机类型等等。5.准备风的定义文件。一般根据IEC61400-1标准，层流需要计算NWP,EDC,ECD,EOG,EWM,EWS等情况，稳流需要计算NTM，ETM和EWM情况。这些文件在载荷计算中会反复使用，比如我们可能计算风轮机在12m/s的层流稳态风中启动，停机或者紧急制动等工矿，但是这几种工况都
9、是用同一个风定义文件。层流风使用IECWind生成；湍流风使用Turbsim生成。 Simulator就是计算器，前处理准备好了风轮机模型的定义，下面就可以计算了。一般我们按照从简单到复杂的过程测试模型，第一遍定义的模型文件中可能充满了错误，让我们先用刚体模型验证叶片的空气动力定义是否正确，这时采用WT_Perf软件估算一下风轮捕获功率，最大Cp是否出现在设计的TSR上。如果一切OK，就可以把模型移植到FAST上了。不管是WT_Perf还是FAST，都是用叶素理论来计算载荷的。这个理论把叶片砍成很多个小段，每个小段假设弦长不变，扭转角度不变。这一个段就使用同样的升力和阻力系数，根据软件实时返回
10、段的速度来计算升力和阻力。再把整个风轮上的小段都加起来，就有了推力，转矩和捕获功率了。 Postprocessor是后处理器，simulator计算完以后的结果，绝大部分是以时间历史形式来存储的。比如从第一秒开始一直到第600秒，主轴的转矩就是个time-history.我们可以用excel来画图，找出最大载荷，也可以做FFT，然后再去分类估算疲劳寿命。其实我自己也不怎么用NREL提供的后处理器，更习惯用excel或者Matlab来做。NREL提供的后处理器有GPP，MCrunch，CrunchViewWind，Fatigue，CombEEV。他们都没有UI，大家只能通过dos命令行一般的界面
11、来操作他们，不过其实他们的功能还是不弱的。其中Matlab写的后处理功能还可以被再次利用，大家可以使用他们提供的函数来自己编制需要的后处理。 好了，终于完成NREL软件间联系的简单介绍了。下面我们开始细讲。古代人使用的风轮机，尤其是垂直轴的，全都是利用风压在做功。而近代风轮都是浮力风轮，叶片的截面跟飞机的机翼形状相似，这样的风轮机需要达到一定的转速，才能提供较高的风能转化效率。假设风从前方吹来，流过翼型的上下面时速度不同，那么就产生了压力差，压力差积分就产生了力，我们把力分解为沿着来流方向和垂直于来流方向的分量，作用在翼型弦长的1/4处，这就是阻力和升力了。压力差积分最终产生的力并不一定通过弦
12、长1/4处的气动中心，所以仅有升力和阻力还不足以代表翼型受力，我们还需要一个空气动力转矩施加在翼型上，图片中以让翼型逆时针旋转为空气动力转矩的正方向。 当来流方向与翼型的弦面夹角（攻角）变化时，翼型产生的升阻力以及转矩随之改变，经过测试或者计算，这个升力阻力和扭矩于攻角的关系被绘制成曲线，就是我们下面看到的了。假如我们已知了翼型的升阻力系数，那么使用该翼型的叶素升阻力计算如下：其中是该叶素的升力，是空气密度，按IEC和GL的标准取1.225kg/m3，就是升力系数，它是攻角的函数，取值依据攻角去前面的图表里面查。是弦长，是这段叶素的长度。 好了，现在只要有了翼型的升阻力系数，就可以计算叶素的升
13、阻力，然后再求合力就可以得到整个风轮的性能，让我们开始第一步吧。我以前发过一个帖子询问升阻力计算和风动试验的准确性的，里面有2维升阻力计算软件的小总结，链接如下：http:/www.windpower- 抱歉今天写累了，不想再写Xfoil的介绍了，下次再来吧。水平轴风力涡轮机载荷计算简介(3)2010-09-04 20:01 niwei_20xx最近忙死了，这段时间是德国的休假高峰期，由于有同事休假，造成我临时接手别人的事情。工作量不光大了，而且我还是头一回做这个类型的项目，所以造成没时间来继续更新帖子，但是我一定坚持，写完我知道的。 今天我们要讲Xfoil软件。我本人是学机械工程、汽车工程出
14、身，流体力学方面基础很差，因此希望大家帮忙给我挑错，挑出来的我一定改正，谢谢！ Xfoil是美国麻省理工学院的Drela教授开发的，使用面元法（Panel Method）和边界层理论计算亚音速翼型在小攻角下的升阻力系数。这个理论是2维理论，忽略气流垂直于翼型截面的流动。当翼型的攻角过大（典型值如12度）时，失速现象发生，翼型上面的湍流是3维现象，这时Xfoil计算的升阻力就更不准了。Xfoil的下载地址如下：http:/web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/ Prof. Drela还开发了一个利用Vortex Lattice理论计算翼型升阻力的软件，叫做AVL,
15、这个理论是准三维理论，但是好像不能考虑气体粘度。软件信息在下面这个网页：http:/web.mit.edu/drela/Public/web/avl/ 我个人用Xfoil，完全是因为带我做论文的人用这个，是历史原因，大家也可以用其他软件。根据我的经验，小攻角下软件计算的翼型升力系数是很准确的，阻力系数不准，需要大家用风洞测量数据来修正一下。风洞数据虽然也不是完全准确，但是还是比软件计算的更靠谱。 下面用一个例子来介绍Xfoil计算翼型升阻力的流程。首先我们应该准备好翼型的坐标文件，我用NACA的4415做例子，关于NACA的翼型，可以参考英文wiki:http:/en.wikipedia.org/wiki/NACA_airfoil不能翻墙的可以看下面的图 翼型的坐标可以去UIUC的数据库下载：http:/www.ae.illinois.edu/m-selig/ads/coord/naca4415.dat这个文件包含两列数据，是把翼型的截面以一系列点的坐标表现出来。这些点可以从trailing edge开始，也可以从leading edge开始，顺时针逆时针排列都可以。 有了坐标文件，我们可以启动Xfoil，这里多罗嗦一句，Xfoil只有交互式字符界面，我们必须通过命令窗口来使用它，就是windows下的命
