CONVERGE助力风力涡轮机CFD模拟

作者：Jameil Kolliyil

风能是近年来兴起的主要可再生能源之一。仅在美国，过去10年风电装机容量每年增长15%，风能成为美国占比最大的可再生能源。随着风能市场的增长，风力涡轮机和风力发电场的尺度也越来越大，有的风力涡轮机超过100米高。对于这样大型的涡轮机结构，除了临近风力涡轮机产生的尾迹效应外，大气边界层( atmospheric boundary layer，简称ABL，它是大气的最低部分，直接受地球表面形态影响)的影响也变得非常重要。ABL内部的湍流会影响风机的效率和寿命，而来自风电场的尾流会改变ABL的结构。因此，当设计和优化大型风电场时，必须考虑风电场和ABL之间复杂的相互作用。

那么计算流体力学仿真技术能否帮助我们设计更好的风力发电场吗?答案是肯定的。但是要对风力涡轮机进行全尺寸CFD模拟存在一个很大的障碍，因为它在长度尺度和时间尺度上存在着巨大的跨度。以长度尺度为例，可以从毫米级(相当于旋转叶片上边界层的厚度)到几十公里(相当于一个风电场的大小)不等。对这种对象的全尺度CFD模拟需要极其庞大的硬件资源，有时甚至是不可能实现的任务。为了解决这个矛盾，该领域目前主流采用激励器模型（actuator model）。这类模型将旋转的叶片替换为几条线(激励线模型，Actuator Line Model，简称ALM)或一个圆盘(激励盘模型，Actuator Disc Model，简称ADM)，来对流场施加叶片载荷对应的体积力。同时采用三维Navier-Stokes求解器对整个流场进行求解。这就消除了在旋转叶片周围布置精细网格的需要，从而将有限的资源用来捕捉空间湍流和尾迹特征。由Sorensen和Shen2于2002年开发的激励线模型(ALM)近年来在风力涡轮机仿真中得到了广泛的应用。开发ALM模型的主要挑战包括确定激励线上每个离散点的相对速度，以及决定如何将气动力投射到流场。最先进的ALM代码使用插值法(从附近的流场插值得到激励线上各点的速度)或积分法(通过力投影加权速度积分以获得来流自由风速)来计算相对速度，并使用高斯函数将气动力投射到流场中。

在Convergent Science公司（以下简称CSI），我们不断追求卓越，改进现有的模型。CSI首席研究工程师谢胜百博士最近发表了一篇使用交替速度采样函数和力投影函数的研究论文。谢博士的方法使用拉格朗日平均速度采样技术，而不是从附近的流体质点插值速度。他没有使用高斯力投影函数，而是使用分段函数。他在CONVERGE软件中应用了这些改进算法，并模拟了一台美国国家可再生能源实验室(NREL)的5MW对标风力涡轮机。图1展示了传统ALM方法和谢博士的方法预测的不同风速下转子稳态功率和扭矩，并与Jonkman等人的参考曲线对比。

图1:传统方法与CONVERGE新的拉格朗日方法预测的(A)转子功率和(B)转子转矩随风速的稳态响应。

如图1所示，与传统的插值法(Interpolation)和积分法(Integral)相比，谢博士的新方法(Lagrangian)与参考曲线的更加吻合。Alessandro Bianchini博士在佛罗伦萨大学的风力研究小组已经采用这种新方法模拟了一台DTU 10mw的参考风力涡轮机。

图2显示了他们计算结果中的一个动画。您可以在谢博士的研究论文中（链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/we.2619），找到关于新方法的更多信息，以及与其它ALM方法的详细比较。

图2: DTU 10兆瓦参考风力机q准则等值面可视化涡流。（动画来源—— REASE集团风力部，佛罗伦萨大学）

CONVERGE?具有自动网格划分、自适应网格加密(AMR)和对运动几何的极简处理技术，使其非常适合风力涡轮机模拟。

参考文献

Wind Energy Technologies Office, “Advantages and Challenges of Wind Energy”, https://www.energy.gov/eere/wind/advantages-and-challenges-wind-energy, accessed on Aug 10, 2021.

Sorensen, J. N., Shen, W. Z., “Numerical modelling of wind turbine wakes,” J. Fluids Eng., 124, 393-399, 2002. DOI: 10.1115/1.1471361

Xie, S., “An actuator-line model with Langrangian-averaged velocity sampling and piecewise projection for wind turbine simulations,” Wind Energy, 1-12, 2021. DOI: 10.1002/we.2619

Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W., Scott, G., “Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development,” NREL, 2009, https://www.nrel.gov/docs/fy09osti/38060.pdf

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