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

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1、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(jí)過(guò)程裝備與控制工程11-2班指導(dǎo)老師馬培勇0目錄一、物理過(guò)程的描述1二、數(shù)學(xué)建模11、模擬問(wèn)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(chǎng)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2323一、物理過(guò)程的描述風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世

2、界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×10^9MW，其中可利用的風(fēng)能為2×10^7MW，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風(fēng)很早就被人們利用--主要是通過(guò)風(fēng)車來(lái)抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風(fēng)來(lái)發(fā)電。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)、發(fā)電機(jī)和鐵塔三部分。（大型風(fēng)力發(fā)電站基本上沒(méi)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)螺旋槳形的葉輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向漿葉時(shí)，槳葉上產(chǎn)

3、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(如碳纖維)來(lái)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(wèn)題。圖1.2翼型相關(guān)概念示意圖二、數(shù)學(xué)建模1、模擬問(wèn)題23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)輪的幾何尺寸為下表：高度（m）半徑（m）葉片弦長(zhǎng)（m）8

4、.44.212、數(shù)學(xué)方程描述①控制方程二維可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程和雙方程湍流模型無(wú)量綱化后在笛卡爾坐標(biāo)系中可以寫(xiě)成如下守恒形式：，為對(duì)流通矢量，D為粘性矢量，S為源項(xiàng)，具體為：其中：其中，E=e+u1u2/2+k和H==h+u1u2/2+k分別是滯止內(nèi)能和滯止焓，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(xiě)成無(wú)量綱形式：23其中，對(duì)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。為對(duì)流通量矢量，D為粘性項(xiàng)，S為源項(xiàng)，

5、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：①在網(wǎng)上搜索NACA4412翼型的相關(guān)坐標(biāo)數(shù)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23②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③劃分面網(wǎng)格圖3.3劃分面網(wǎng)格對(duì)話框圖3.4單葉片的網(wǎng)格劃分23④設(shè)置邊界類圖3.5邊界類型設(shè)置對(duì)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-inletACOutletPressure

6、-outletBDWall1Wall葉片的上邊線Wall2Wall葉片的下邊線⑤輸出并保存網(wǎng)格文件2、建立垂直軸風(fēng)力機(jī)模型①創(chuàng)建弦長(zhǎng)為1m的dat文件，并將其導(dǎo)入Gambit中。23圖3.1弦長(zhǎng)1m的NACA4412數(shù)據(jù)②創(chuàng)建葉片所在平面、旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)和外部流場(chǎng)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(huà)圓工具分別繪制半徑為4.2與10的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)與外部流場(chǎng)。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°平均分布在旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)周圍。圖3.2葉片分布與流場(chǎng)設(shè)定23③劃分面網(wǎng)格分別對(duì)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)和外部

7、流場(chǎng)劃分網(wǎng)格。（a）（b）圖3.3劃分網(wǎng)格設(shè)置對(duì)話框圖3.4劃分后的網(wǎng)格圖23④設(shè)置邊界類型和區(qū)域類型.（a）（b）圖3.5設(shè)置邊界類型⑤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①導(dǎo)入單葉片的網(wǎng)格文件②檢查網(wǎng)格23圖4.1網(wǎng)格文件的導(dǎo)入與檢查③確定長(zhǎng)度的單位并顯示網(wǎng)格圖4.2長(zhǎng)度單位設(shè)置對(duì)話框圖4.3展示網(wǎng)格（2）選擇計(jì)算模型①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DensityBased。同時(shí)，由于空氣流速大，故選用k-epsilon湍流模型。23圖4.4求

8、解器設(shè)置對(duì)話框圖4.5K-?湍流模型設(shè)置對(duì)話框②設(shè)置邊界條件：打開(kāi)BoundaryCondition設(shè)置對(duì)話框，如圖4.6所示。23圖4.6邊界選擇對(duì)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為Velocity-inlet，單擊Set按鈕，打開(kāi)速度邊界設(shè)置對(duì)話框，如圖4.7所示。B）在V