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CN111396269A - 一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质 - Google Patents

一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质 Download PDF

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CN111396269A
CN111396269A CN202010509832.1A CN202010509832A CN111396269A CN 111396269 A CN111396269 A CN 111396269A CN 202010509832 A CN202010509832 A CN 202010509832A CN 111396269 A CN111396269 A CN 111396269A
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icing
calculation
liquid film
time
wind turbine
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王强
易贤
刘宇
任靖豪
李维浩
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Abstract

本发明提供一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质，包括步骤S1：读入流场和云雾场信息；步骤S2：计算叶片展向不同截面位置的相对入流风速
Figure 815644DEST_PATH_IMAGE001
和相对入流迎角αrel；步骤S3：计算二维翼型当地液态水收集系数；步骤S4：计算液膜结冰相变；步骤S5：根据覆冰构型，通过网格变形计算，更新数值计算网格，开始下一时间步的结冰计算；其中，风轮平面诱导速度更新时间步为ΔT1，当地翼型覆冰流场更新时间步为ΔT2，当地覆冰翼型收集系数更新时间步为ΔT3，ΔT1>ΔT2>ΔT3；本发明中，针对不同的结冰时间尺度，在步骤S5中制定了不同结冰计算更新步长，可以最大程度上提高风力机结冰计算效率，因此使得大型风力机的超长结冰计算成为可能。

Description

一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质
技术领域
本发明属于风力机工程技术领域，尤其涉及一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质。
背景技术
风力机结冰是一个复杂的物理过程。风力机结冰主要可以分为沉积结冰和云内结冰，且主要以云内结冰为主。当环境温度、液态水含量(Liquid Water Content，LWC)以及相对入流风速较低时，空气中的过冷水滴撞击在叶片表面后会立刻冻结，形成形状较规则的霜冰；当LWC、相对入流风速较高，且环境温度接近0℃时，过冷水滴撞击在叶片表面后会在叶片表面形成液膜。液膜在风剪切作用力、环境压力、表面张力、重力、离心力等复杂作用力下对收集到的液态水进行输运。同时，液膜的输运过程与对流换热以及蒸发、冻结等传热传质过程直接耦合，通常形成形状复杂的明冰；部分条件下，风力机叶片表面还会形成同时具有霜冰和明冰特征的混合冰。
与航空飞行器的结冰问题相比风力机结冰更加复杂。首先，风力机工作在地表边界层中，风切变、高湍流、非均匀入流、动态尾流等因素决定了风力机结冰具有非定常流场特征；其次，在气象环境与来流环境的耦合作用下，风力机结冰具有非定常云雾场特征，LWC、MVD等关键结冰参数常随着时间变化；第三，在海拔高度、复杂地形等因素影响下，风力机结冰具有强烈地空间变化特征，同一区域不同位置的风力机结冰情况往往不同。同时，不同区域的结冰云雾参数测量数据并不具有普适性；第四，风力机旋转影响、大尺度因素、气动弹性影响等因素进一步增大了风力机结冰过程的复杂性。
当前结冰数值计算模型并不能适用于风力机复杂结冰问题。主要在于：一方面，风力机显著的大尺度特征、非定常结冰及超长时间结冰特征使得目前准定常结冰计算方法及非定常结冰计算方法失效；另一方面，现有的结冰相变模型主要基于Messinger模型、Myers模型及Shallow Water模型。这些结冰相变计算模型均不能计算包括风剪切作用力、环境压力、表面张力及重力等复杂力系影响下的液膜流动问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多时间步非定常结冰计算方法、系统及存储介质，旨在解决现有技术中计算精度低、计算速度慢、不能描述复杂力系影响下的液膜流动等技术问题。
本发明是这样实现的，一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，包括如下步骤：
步骤S1：读入流场和云雾场信息；
步骤S2：计算叶片展向不同截面位置的相对入流风速
Figure 618501DEST_PATH_IMAGE001
和相对入流迎角αrel；
步骤S3：计算二维翼型当地液态水收集系数；
步骤S4：计算液膜结冰相变；
步骤S5：根据覆冰构型，通过网格变形计算，更新数值计算网格，开始下一时间步的结冰计算；其中，风轮平面诱导速度更新时间步为ΔT1，当地翼型覆冰流场更新时间步为ΔT2，当地覆冰翼型收集系数更新时间步为ΔT3，ΔT1>ΔT2>ΔT3。
进一步地，在步骤S2中，基于自由尾涡升力线模型计算流场信息计算所述相对入流风速和所述相对入流迎角αrel：
，
Figure 315247DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 778590DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 529508DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 293065DEST_PATH_IMAGE006
，
其中，为无穷远来流风速，n为尾涡段总数，为第i个自由尾涡段对当前翼型截 面位置的诱导速度，
Figure 756910DEST_PATH_IMAGE009
为当地叶片翼型单元的运动速度，
Figure 640552DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 317521DEST_PATH_IMAGE011
分别为相对入流 风速在风轮旋转平面及垂直风轮旋转平面内的速度分量，θ为翼型当地扭角，Γi为第i个自 由尾涡段的涡量强度，Kv为自由尾涡段的粘性影响参数，
Figure 145669DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 363024DEST_PATH_IMAGE013
分别为自由尾涡段两端 到当前翼型截面气动中心的向量，CL为升力系数，c为当地翼型弦长，re为尾涡的经验半径， re采用Ramasamy & Leishman有效涡核模型进行计算，r为自由尾涡段中心位置到当前翼型 截面气动中心的距离，为无量纲半径，m为经验参数，通常取2。
进一步地，在步骤S2中，基于拉格朗日方法或欧拉方法计算二维翼型当地液态水收集系数。
进一步地，在步骤S4中，利用有限面积方法进行液膜结冰相变的计算：
Figure 886726DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 202169DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 426477DEST_PATH_IMAGE017
，
其中t为时间，h为计算单元的液膜厚度，为液膜内的平均速度，η为当地固壁的法 向坐标，为Cs的边界法向量，SCs为Cs的投影面积，L为Cs的边界线长度，为质量源项，包 括液滴撞击、液膜蒸发和液膜冻结引起的质量源项改变量，下标i取Cs的所有边界面，为 因曲线坐标变换产生的形状因子，为重力加速度，和分别为作用于液膜自由面和 底面的剪切作用力，Pw为液膜压力，δ为表面张力系数，ρw为液膜密度，
Figure 971411DEST_PATH_IMAGE025
为撞击液滴带来 的动能及内能，
Figure 414025DEST_PATH_IMAGE026
为液膜与气流场之间的对流换热，
Figure 40178DEST_PATH_IMAGE027
为液膜蒸发带走的能量，
Figure 614248DEST_PATH_IMAGE028
为液 膜冻结产生的潜热，
Figure 984050DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 812328DEST_PATH_IMAGE030
分别为液膜运输相关的能量传入项及传出项。
进一步地，所述质量源项、所述能量传入项及传出项来自于拉格朗日结冰计算方法或欧拉结冰计算方法。
进一步地，在步骤S5中，采用以下方程计算：
Figure 609383DEST_PATH_IMAGE031
，
其中C1取为0.01，ρice为覆冰密度，c为当地翼型弦长，LWC为液态水含量。
进一步地，在步骤S5中，ΔT1=20ΔT2。
进一步地，在步骤S5中，ΔT3取为当地液膜运动时间步长。
本发明还提供了一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算系统，用于执行所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法。
本发明还提供了一种存储介质，存储有所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，或者存储有所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算系统。
本发明相对于现有技术的技术效果是：
（1）本发明采用多时间步非定常结冰计算方法，该计算方法适用于大尺度风力机、超长结冰时间条件下的非定常结冰计算；
（2）本发明耦合了自由尾涡升力线计算模型，通过模拟风力机自由尾涡的非定常运动，计算风力机非定常流场特征。相对于传统动量叶素理论方法，准确度更高；相对于传统三维CFD方法，计算速度更快；
（3）本发明耦合了基于有限面积方法的液膜结冰相变模型，可以描述风剪切作用力、环境压力、表面张力及重力等复杂力系影响下的液膜流动，提高液膜动力学过程的模拟精度；
（4）本发明提出的多时间步非定常结冰计算方法可以为覆冰风力机的气动性能分析、风力机控制策略制定及寒冷气候条件下的风电场微观选址提供有力的支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述的附图仅仅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。
图1是本发明所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
图1是本发明所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法的流程图。本发明提供了一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，包括如下步骤：
步骤S1：读入流场和云雾场信息；
步骤S2：计算叶片展向不同截面位置的相对入流风速和相对入流迎角；
步骤S3：计算二维翼型当地液态水收集系数；
步骤S4：计算液膜结冰相变；
步骤S5：根据覆冰构型，通过网格变形计算，更新数值计算网格，开始下一时间步的结冰计算；其中，风轮平面诱导速度更新时间步为ΔT1，当地翼型覆冰流场更新时间步为ΔT2，当地覆冰翼型收集系数更新时间步为ΔT3，ΔT1>ΔT2>ΔT3。
现有技术的计算方法只适用于常规短时间内的结冰情况，而不能解决大尺度、长时间结冰的风力机结冰问题；本发明中，针对不同的结冰时间尺度，在步骤S5中制定了不同结冰计算更新步长，从而可以最大程度上提高风力机结冰计算效率，因此使得大型风力机的超长结冰计算成为可能。
进一步地，在步骤S2中，基于自由尾涡升力线模型计算流场信息计算所述相对入 流风速
Figure 670749DEST_PATH_IMAGE032
和所述相对入流迎角αrel：
Figure 578662DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 120502DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 88458DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 325535DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 37139DEST_PATH_IMAGE006
，
其中，为无穷远来流风速，为第i个自由尾涡段对当前翼型截面位置的诱导速 度，为当地叶片翼型单元的运动速度，
Figure 123596DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 515394DEST_PATH_IMAGE041
分别为相对入流风速在风轮旋转 平面及垂直风轮旋转平面内的速度分量，θ为翼型当地扭角，Γi为第i个自由尾涡段的涡量 强度，Kv为自由尾涡段的粘性影响参数，和分别为自由尾涡段两端到当前翼型截面 气动中心的向量，CL为升力系数，c为当地翼型弦长，re为尾涡的经验半径，re采用Ramasamy & Leishman有效涡核模型进行计算，r为自由尾涡段中心位置到当前翼型截面气动中心的 距离，为无量纲半径，m为经验参数，通常取2。
本发明的方法中，可以有效地评估三维自由尾涡对风轮平面内流场的诱导影响，因而可以提供比传统的动量叶素理论方法更多的物理信息，因而计算更加准确；同时，相对于传统三维CFD方法，计算速度更快。
进一步地，在步骤S2中，基于拉格朗日方法或欧拉方法计算二维翼型当地液态水收集系数；其中，拉格朗日方法可参见文献：文献1（Weimin S , Yu S , ChaoXI.Numerical simulation of icing effect and ice accretion on three-dimensional configurations[J]. 中国科学:技术科学(英文版), 2013, 056(009):2278-2288）和文献2（LiangXie, Peizhe Li, Hang Chen et al. Robust and efficientprediction of the collection efficiency in icing accretion simulation for 3Dcomplex geometries using the Lagrangian approach I: an adaptive interpolationmethod based on the restricted radial basis functions [J]. InternationalJournal of Heat and Mass Transfer, Volume 150, 2020, 119290）；欧拉方法可参见文献3（Yi X , Wang K C , Gui Y W , et al. Study on Eulerian method for icingcollection efficiency computation and its application[J]. Kongqi DonglixueXuebao/acta Aerodynamica Sinica, 2010, 28(5):596-608.）
进一步地，在步骤S4中，利用有限面积方法进行液膜结冰相变的计算：
Figure 241593DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 128778DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 686798DEST_PATH_IMAGE048
，
其中t为时间，h为计算单元的液膜厚度，
Figure 543896DEST_PATH_IMAGE049
为液膜内的平均速度，η为当地固壁的法向坐标，
Figure 503761DEST_PATH_IMAGE050
为Cs的边界法向量，SCs为Cs的投影面积，L为Cs的边界线长度，
Figure 811115DEST_PATH_IMAGE051
为质量源项，包括液滴撞击、液膜蒸发和液膜冻结引起的质量源项改变量，下标i取Cs的所有边界面，
Figure 590852DEST_PATH_IMAGE052
为因曲线坐标变换产生的形状因子，
Figure 189324DEST_PATH_IMAGE053
为重力加速度，
Figure 3696DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 357317DEST_PATH_IMAGE055
分别为作用于液膜自由面和底面的剪切作用力，Pw为液膜压力，δ为表面张力系数，ρw为液膜密度，
Figure 624350DEST_PATH_IMAGE056
为撞击液滴带来的动能及内能，
Figure 213463DEST_PATH_IMAGE057
为液膜与气流场之间的对流换热，
Figure 882342DEST_PATH_IMAGE058
为液膜蒸发带走的能量，
Figure 406864DEST_PATH_IMAGE059
为液膜冻结产生的潜热，
Figure 161194DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 367047DEST_PATH_IMAGE061
分别为液膜运输相关的能量传入项及传出项。
因此，本发明的计算方法中，耦合了基于有限面积方法的液膜结冰相变模型，可以描述风剪切作用力、环境压力、表面张力及重力等复杂力系影响下的液膜流动，提高了液膜动力学过程的模拟精度。解决了现有技术中的Messinger模型、Myers模型及Shallow Water模型不能计算风剪切作用力、环境压力、表面张力及重力的技术问题。
进一步地，所述质量源项、所述能量传入项及传出项来自于拉格朗日结冰计算方法或欧拉结冰计算方法。
进一步地，在步骤S5中，ΔT2采用以下方程计算：
Figure 890432DEST_PATH_IMAGE062
，
其中C1取为0.01，ρice为覆冰密度，c为当地翼型弦长，LWC为液态水含量。
进一步地，在步骤S5中，ΔT1=20ΔT2。
进一步地，在步骤S5中，ΔT3取为当地液膜运动时间步长。
同时，本发明的多时间步非定常结冰计算方法还可以为覆冰风力机的气动性能分析、风力机控制策略制定及寒冷气候条件下的风电场微观选址提供有力的支撑。
本发明还提供了一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算系统，用于执行所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法。
本发明还提供了一种存储介质，存储有所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，或者存储有所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：读入流场和云雾场信息；
步骤S2：计算叶片展向不同截面位置的相对入流风速
Figure 86987DEST_PATH_IMAGE002
和相对入流迎角αrel；
步骤S3：计算二维翼型当地液态水收集系数；
步骤S4：计算液膜结冰相变；
步骤S5：根据覆冰构型，通过网格变形计算，更新数值计算网格，开始下一时间步的结冰计算；其中，风轮平面诱导速度更新时间步为ΔT1，当地翼型覆冰流场更新时间步为ΔT2，当地覆冰翼型收集系数更新时间步为ΔT3，ΔT1>ΔT2>ΔT3。
2.如权利要求1所述的一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，其特征在 于，在步骤S2中，基于自由尾涡升力线模型计算流场信息计算所述相对入流风速
Figure 269706DEST_PATH_IMAGE003
和所 述相对入流迎角αrel：
Figure 455968DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 382336DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 88386DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 442007DEST_PATH_IMAGE007
，
其中，
Figure 974619DEST_PATH_IMAGE008
为无穷远来流风速，
Figure 580044DEST_PATH_IMAGE009
为第i个自由尾涡段对当前翼型截面位置的诱导速 度，n为尾涡段总数，
Figure 780081DEST_PATH_IMAGE010
为当地叶片翼型单元的运动速度，
Figure 163658DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 449146DEST_PATH_IMAGE012
分别为相对入流 风速在风轮旋转平面及垂直风轮旋转平面内的速度分量，θ为翼型当地扭角，Γi为第i个自 由尾涡段的涡量强度，Kv为自由尾涡段的粘性影响参数，
Figure 592683DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 381647DEST_PATH_IMAGE014
分别为自由尾涡段两端到 当前翼型截面气动中心的向量，CL为升力系数，c为当地翼型弦长，re为尾涡的经验半径，re 采用Ramasamy & Leishman有效涡核模型进行计算，r为自由尾涡段中心位置到当前翼型截 面气动中心的距离，
Figure 342650DEST_PATH_IMAGE015
为无量纲半径，m为经验参数，通常取2。
3.如权利要求1所述的一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，其特征在于，在步骤S2中，基于拉格朗日方法或欧拉方法计算二维翼型当地液态水收集系数。
4.如权利要求1所述的一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，其特征在于，在步骤S4中，利用有限面积方法进行液膜结冰相变的计算：
Figure 473023DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 279305DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 329301DEST_PATH_IMAGE019
，
其中t为时间，h为计算单元的液膜厚度，
Figure 930047DEST_PATH_IMAGE020
为液膜内的平均速度，η为当地固壁的法向 坐标，
Figure 190127DEST_PATH_IMAGE021
为Cs的边界法向量，SCs为Cs的投影面积， L为Cs的边界线长度，
Figure 659154DEST_PATH_IMAGE022
为质量源项，包括 液滴撞击、液膜蒸发和液膜冻结引起的质量源项改变量，下标i取Cs的所有边界面，
Figure 688290DEST_PATH_IMAGE023
为因 曲线坐标变换产生的形状因子，
Figure 132041DEST_PATH_IMAGE024
为重力加速度，
Figure 613838DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 388021DEST_PATH_IMAGE026
分别为作用于液膜自由 面和底面的剪切作用力，Pw为液膜压力，δ为表面张力系数，ρw为液膜密度，
Figure 271663DEST_PATH_IMAGE027
为撞击液滴 带来的动能及内能，
Figure 479791DEST_PATH_IMAGE028
为液膜与气流场之间的对流换热，
Figure 324250DEST_PATH_IMAGE029
为液膜蒸发带走的能量，
Figure 10446DEST_PATH_IMAGE030
为液膜冻结产生的潜热，
Figure 138808DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 517837DEST_PATH_IMAGE032
分别为液膜运输相关的能量传入项及传出项。
5.如权利要求4所述的一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，其特征在于，所述质量源项、所述能量传入项及传出项来自于拉格朗日结冰计算方法或欧拉结冰计算方法。
6.如权利要求1所述的一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，其特征在于，在步骤S5中，ΔT2采用以下方程计算：
Figure 974226DEST_PATH_IMAGE033
，
其中C1取为0.01，ρice为覆冰密度，c为当地翼型弦长，LWC为液态水含量。
7.如权利要求1所述的一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，其特征在于，在步骤S5中，ΔT1=20ΔT2。
8.如权利要求1所述的一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，其特征在于，在步骤S5中，ΔT3取为当地液膜运动时间步长。
9.一种适用于风力机的多时间步非定常结冰计算系统，其特征在于，用于执行如权利要求1至8中任一项所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法。
10.一种存储介质，其特征在于，存储有如权利要求1至8中任一项所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算方法，或者存储有如权利要求9所述的适用于风力机的多时间步非定常结冰计算系统。
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