基于fluent的风电厂vr仿真系统设计.pdf

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1、基于Fluent的风电厂VR仿真系统设计庞博，付仕学国家电力投资集团贵州黔东电力有限公司，黔东南The study on VR Simulation System of Wind Power Plant Based on FluentPANG Bo，FU Shi-xueGuizhou Oiandong Power Co，L-DQiandongnan 557702，ChinaABSTRAClj VR technology a8 the forefront of thedevelopment of the CLlrrent simulation direction has abroad appli

2、cation prospects in the power industryWitllinthe high-speed development of Chinese wind powerindustry,wind farm location was gradually transferredfrom the plain to mountainous region which has trulycomplex terrainTo find a more effective way to study thewind fatal，this paper building the 2 Megawatts

3、 windturbine basis on the Wilson theory ofblade model，besidescomputational domain model with the 2 Megawatts windturbine were constructed by a 3 dimensional modelingsoftware called SolidworksThe results of Fluentsimulation demonstrated by Tecplot show US the basicinformation like wind velocity and o

4、utput power of thewind turbinesThen the implementation process of thevisual simulation system is introduced detailedly,besidesthe results of the wind field static model and theestablishment of the PF source particle system arehighlighted in the 3ds MaxEventually,by showing theeffect graph of the vis

5、ual simulation syStem of the windfarm，the advantages of the visual simulation in theinformation acquisition,immersion and interaction alequite outstanding when compared with the traditional windturbine simulation resultsThe visual sirnulationtechnologies and designs in this paper will offer certainr

6、eference for establishing the wind farms based on V&andmake the researchers understanding which part is theirmost interesting one ofthe 5 modules in their VR systemsKEY WORD：Wind turbine；CFD simulation；wind speed；3ds Max；VR；PF source摘要：VR技术是目前仿真领域发展的最前沿的方向之一，在电力行业有着广阔的应用前景。本文以某实测地的风速为依据，通过Solidworks

7、建立了2MW风力机的计算模型，使用Fluent软件对风力机进行数值仿真并用Tecplot软件对其结果进行了后处理展示。然后对可视化仿真系统的实现过程做了较详尽的介绍，重点展示了3ds Max中风场静态模型及PF source粒子系统的建立结果。最后通过展示风电场可视化仿真系统的效果图，有对比性的说明了相较于传统的风力机仿真结果，可视化仿真在信息获取、沉浸感及交互性方面的优势。关键词：风力机；CFD仿真；风速：3dsMax1引言随着人民生活水平的不断提高，日常生产与生活中能源与环境保护间的矛盾愈发突出。在我国，风能在清洁能源中占有较大比重，发展前景十分可观。随着风电事业在我国快速发展，风电场的选

8、址地貌也愈见复杂，尤其在我国中部风资源较集中的区域多见山地、丘陵等复杂地貌，因此有必要对风力机在各种地形下的气动性能进行深入研究。上世纪80年代以来，相较于试验方法，国内外学者对风力机与复杂地形的研究更趋向于采用计算机仿真的方法。爱丁堡大学的Alexandros Makridis等对英国Askervein地区某平坦区域的单台630kw风机进行了气动性能仿真【l】，武汉大学的沈晶等使用Fluent计算了山地峡管效应对风场的影响【2】。而随着计算机软、硬件技术的飞速发展，计算机仿真技术出现了从数值仿真向虚拟现实技术(VR，Virtual Reality)3】发展的趋势。虚拟现实技术是2l世纪一门重

9、要发展的学科，综合了多个领域的知识与技术，主要包括计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能技术、仿真技术等【4】【51。它能将模拟仿真中的数字信息变为直观的、以图形图像形式表示的、随时间和空间变化的仿真过程呈现【6】，具有多感知性、沉浸感、交互性及思想性的特点，在各个行业呈快速发展的态势。上世纪80年代，美国宇航局万方数据(NASA)建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统以及可供全国使用的VR教育系统71【81。南非的Centrocen Projects，公司与Megkon公司合作利用利用Arena及Gensym G2系统仿真分析了SASOL煤炭公司Tw

10、istdraai矿扩建工程的采煤、运输、库存与物料处理系统合理性【91。澳大利亚的Basil应用GPSSH和PROOF开展了露天矿和地下矿开采作业可视化仿真研烈6】。本文主要讨论可视化仿真技术在风力机气动性能及风电场运行研究中的实现方法。通过对比传统的风力机仿真结果，体现出了可视化仿真技术在信息获取、沉浸感及交互性方面的优势【J0】。2风力机传统仿真与可视化仿真基本原理21风力机的传统仿真实现方法传统仿真基于稳态不可压缩三维定常雷诺时均N-S方程(RANS)进行数值模拟，采用剪切压力输运SST k-湍流模型使方程组封闭【21。求解器采用segregated隐式三维稳态算法，SIMPLE压力速度

11、耦合算法，通用控制方程的离散采用有限容积法，对流项差分采用二阶迎风格式【1】【lI】121，如下：不可压缩流体连续性方程：堕：odx- (I)雷诺时均NS方程(RANS方程1：p等+pc篝2旃一毒+苦卜等一p调j。2，湍动能k方程：昙c纠+杀cp札，2毒Cc+罄，考J-+舢七一矗当O xi (3)比耗散率国方程：昙c舢，+毒c肿，2毒(c+罄，考j+2c卜E)眠艺考考+毒气篝 。4，236叫H高跏 式中：ui为速度；r ij为切应力；F1、F2为混合函数，F2用来修正FI在自由剪切流中的误差：Y为网格点到近壁面的距离；v为运动粘度；宰为上角标，D乖为方程的一个封闭常数。22可视化仿真基本流程可

12、视化仿真的实现原理通过是结合风力机与风场的各个实际参数，使用三维建模软件如SolidWorks完成风力机各部件的实体建模；再通过3ds Max完成虚拟场景的创建工作；结合仿真软件如Fluent对风力机进行典型工况的仿真；最后用成熟的可视化仿真软件包或通过自己编程的方式完成仿真数据的可视化、虚拟场景的漫游以及场景的交互驱动【51。具体流程如图l所示。R黼场誊慧罴鬻Fluent)：一攫缈工工b茏淹蔓优化重构 托最创建 |T一3dsMax) 一3dsMax- I一T一I- 功画设计一嘉I工t轼车代或，L一场景堕音一王图1可视化仿真基本流程Fig1 Flow diagram ofvisualizati

13、on simulation3风力机建模与传统仿真31风力机建模本文根据湖南某地一年风塔实测风资源数据确定风机参数，设计风速l 15 ms，风轮额定转速17 rmin，风力机机电效率08l，风能利用系数cp=o4，尖速比为7，轮毂半径15m。通过Matlab计算出风机轮毂高度80m，叶片长度46m，采用三维建模软件Slidworks进行几何建模【12113】。基本尺寸如图2所示。32计算域建模与网格划分本文的平地风力机根据最小经验尺寸进行计算域划分，仿真后确定没有边界对模型仿真造成影响【12】，确定平地计算域如图3所示，万方数据长28D、宽8D、总高535D、风机距计算域前端3D。滗图2风力机建

14、模Fig2 Model of wind turbine。Y舷非臻Iq一临域(a)叶轮平面网格(a)Mesh of the impeller area(b)平地计算域(b)Calculation domain of ground图3计算域尺寸与网格划分Fig3 Computational domain size and meshing为提高计算的准确性与效率，全部模型均采用ICEM划分网格，综合考虑分块合理性与计算效率，除了叶轮模块较小的“Y”型域采用如图3(a)所示的非结构网格，其他计算域均采用结构网格划分；而对如图3(b)所示计算域采用了渐变结构与局部加密网格以提高计算效率，即风机位置向远场

15、及侧向的网格逐渐变稀【12，1 31。33风力机传统仿真结果331额定功率下湍动能分析237由于来流风速的扰流及风力机自己做圆周运行搅动空气产生湍流，进而会在尾流中产生扰动作用，图4为平地风力机输出功率均刚达到2MW时，沿风向不同截面上的湍动能分布云图，所有图均以叶轮气动中心为(0，0，O)原点。从叶轮处的图4(a)可看出，由于叶片附着涡及叶尖螺旋尾涡的存在，叶片后部的一个半径径略大于叶轮的“Y型”区域内湍动能较大；而2叶片间的扇形区域内湍动能呈渐变的趋势，从前一片至后叶片逐渐减小；此外由于塔架的存在，叶轮下部有一块方形区域湍动能较大。图4(b)从原点后30m至2230m每隔440m做一个切片

16、，共6个，切片l可发现，此处受叶轮影响的湍动能较大区域直径约为15-2D，有了一些扩展。从切片2“可发现，随着距离的增加，湍动能区域发展成了端部为圆的“Y型区域”，但影响范围扩张缓慢，至风力机下游2230m的切面6处，湍动能变化微小，气流已趋于稳定。 。，潞骶著溅嚣焉餐熙一C 3C0 2 -100 0 1。o 2 300 4fal平地风轮平面湍动能(a)Turbulent kinetic energy of rotor plane in grounddomain(c)沿v轴平地风力机湍动能(c)Turbulentkinetic energy along the Y axis of ground

17、wind turbine图4额定功率下湍动能分布Fig4 Turbulent kinetic energy distribution underrated power332额定功率下风速分析图5为模型输出功率均刚达到2MW时的速度分布云图。从图5(a)可看出风流过风轮面处的速度分布情况，同样由于塔架的存在，叶万方数据轮下部有一块速度渐变的方形区域，与湍动能的分布相反，2叶片间的扇形区域速度从前叶片至后叶片逐渐增大，这与风力机旋转尾迹理论吻合，是因为风驱动风轮转动产生力矩而桨叶对气流产生反转矩作用。图5(b)为z=O的水平切面速度云图，可清晰的看到由于风力机的旋转尾迹效应，轮毂左侧出现低速尾流区

18、而右侧出现高速尾流区，低速区向后延伸300m左右，高速区向后延伸1000m左右，1000m过后速度分布呈现从中间向两侧逐渐递增的规律，横向影响范围可达400m。、匀j：x d：h(：)_m：(a)平地风轮平面风速(a)Wind speed of rotor plane in ground domaint查I：fld spIi目s。(b)平地Z：Om平面风速(b)Wind speed of Z=0m plane in ground domain图5额定功率下速度分布Fig5 Wind speed distribution under rated power4风力机及风电场的可视化仿真设计41风力

19、机模型优化及重构用于风电场厂区模型创建的主流软件是3ds Max，但三维软件创建的模型需要重构才可导入3ds Max中进行进一步的处理。本文的设计方法是使用Polygon Cruncher软件将Solidworks创建的模型转换成STL格式的文件再导入3dsMax中。此外针对风电场风机数量众多的特点，Polygon Cruncher还可对风力机模型进行大量优化，从而有效节约计算机资源，使得可视化系统更加流畅【5】，通常内存优化率根据需求可达20甚至更多。优化界面如图6所示。 f：竺瑟i_竺受|甭矿警。 嚣一 r Y*l躺 !c槲|。I。i。；。一、一|；Face蜘9106，掣1127 卜19船

20、z刚毗刚图6风力机模型优化界面Fig6 Optimization interface ofwind turbine42风电场可视化模型建立风电场整体三维模型的建立需严格遵守微观选址的结果。在建立好三维场景后，为使风电场更加贴近实际，需继续用3ds Max对模型的颜色、光泽、质感等细节进行进一步的设置。当各三维模型材质都设置合理且场景灯光满足要求后，还需要将材质进行烘焙以完成可视化模型的建立输出【91。最终风电场的静态模型优化结果如图7所示。图7风电场静态模型优化结果Fig7 Wind farm static model optimization43风电场可视化仿真系统动态设计三维静态模型建立后

21、，为表现出风电场各设备的运动特征，以及在一定程度上再现环境与风机的交互，可通过设计关键设备与环境的运动来实现。通常这些运动特征包括风力机风轮的转动、风轮偏航、叶片变桨距角、植被和天气特效、空气动力学及结构仿真、摄像机运动等。较成熟的可视化仿真方法是通过在3dsMax中对关键帧的设定和脚本编辑器来实现的【1 51。431风力机动态仿真风力机的运动仿真主要通过动画控制器万方数据和链接约束控制器来辅助完成。其中动画控制器是控制物体运动轨迹规律的事件，它决定动画参数如何在每一帧动画中形成规律以及一个动画参数在每一帧的值，用这个工具可制作比如风机叶轮的旋转动画。而链接约束控制器则用于对层次链中由一个物体

22、向另一个物体链接转移的动画制作。指定作为链接对象的父物体后，可以对开始的时间进行控制，通过此工具可制作风轮偏航、叶片变桨距角运动的效果【515。432风场模拟在风电场可视化仿真动态设计中，风场是除了风力机动态仿真外的另一个关键因素。自由且可受场景影响的风场逼真模拟能大大增加视景仿真的真实感和生动性。现在较成熟的风场模拟工具有3ds MAX的PF Source粒子系统，其可实现风、泥沙、水流等流体逼真的动态过程。使用PF Source粒子系统可较好地模拟自由风的不规则性和随机性，其使用大量具有一定生命和各种属性的细小微粒来描述风的生成、运动及消失的过程，并可根据需要设计风的旋涡、速度、风切变等因

23、素。风场设计流程及效果分别如图8(a)及8(b)所示。工鬯(a)粒子建立流程 (b)风场实际效果(a)Flow diagram of PF Source(b)Design sketch ofwindsystem图8风场模拟Fig8 Simulation of wind44风电场可视化仿真结果通常可视化仿真系统包含五大模块，分别是前文提及的可视化模型、可视化系统动态设计、传统计算机仿真及另外两个重要部分交互行为和信息说明。交互行为包括场景自动漫游、手动漫游、传统计算机仿真结果的实时交互等；信息说明包括风机参数、传统计算机仿真说明等。如今商业上用于最终完成可视化仿真系统的软件较多，比较常见的有Vi

24、rtools、VR-Platform、DVS3D等，本文介绍的是通过VR-Platform软件实现风电场可视化仿真的系引8】，如图9所示。图9风电场可视化仿真系统图Fig9 Wind farm VR system diagram从上图中可以看出，风电场可视化仿真系统逼真、具有很强的沉浸性，相较于单一的可视化动画与仿真后处理模式，可视化仿真最大的优势就在于其实时交互及三维漫游的特性。此系统中操作者可实时与环境互动，如在改变风速、风向等参数后，可以实时查看风力机气动仿真结果、转速、湍动能、功率等信息，并可通过三维漫游全面查看各风力机的运行情况。5结论风电场的可视化仿真系统涉及到五大模块，分别是可视

25、化模型、可视化系统动态设计、传统计算机仿真、交互行为和信息说明，各模块相互独立，可根据需要加强有关模块的建万方数据设。受限于当今计算机的发展水平，可视化仿真尚不能做到根据交互指令实时的对风电场进行专业的气动、结构仿真。因此传统计算机仿真的准确性与全面性是可视化仿真的关键组成部分，必须尽可能多的包含各工况下的仿真结果。对比传统的风力机仿真结果，可视化仿真在信息获取、沉浸感及交互性方面具有较大优势。通过结合实时交互、信息说明及三维漫游，其可将传统仿真结果变为直观的、以图形图像形式表示的、随时间和空间变化的仿真过程。参考文献Alexandros Makridisn，John ChickValidat

26、ion of a CFDmodel of wind turbine wakes witII terrain effects【J】Journal of Wind Engineering and Industrifl Aerodynamics，2013(123)：12-29沈晶，赖旭，峡谷地形条件下风电场风况数值模拟研究fJl水电能源科学，2011，29(8)：16717IAndrey LGorbunov Stereoscopic augmented reality invisual interface for flight control【J】Aerospace Scienceand Techn

27、ology,38(20141 1 16一123许微虚拟现实技术的国内外研究现状与发展fJ】现弋商贸工业，2009(2)：279280【101万晓静基于VR技术的虚拟风电场可视化仿真系统的研究DI，I硕士学位论文】新疆大学，2009，05Andrzej Grabowski，Jaroslaw JankowskiVirtual Realitybased pilot training for underground coal miners【j】SafetyScience，72(2015)310-314任学军输油气场站可视化仿真信息系统设计与开发【D】，硕士学位论文】东北石油大学，2013，06王健美，

28、张旭，王勇，赵蕴华美国虚拟现实技术发展现状、政策及对我国的启示【J】科技管理研究，2010，(14)Anton Sigitov,Andrd Hinkenjann，Thorsten RothTowardsVR-based systems for school experiments IJ】ProcediaComputer Science，25(20l 3)2012 10MCarridna，RSteijl，et al，Aeroelastic analysis of windturbines using a tightly coupled CFD-CSD method【JJournal ofFlui

29、ds and Structures2014(50)：392415陈洁鹰2MW风力机叶片优化设计及其关键性能仿真研究【D】沈阳：东北大学，2012李少华，王东华，岳巍澎，等双风力机风向交化时尾流及阵列数值研究【J】动力工程学报，201 1,31(10)：768-778Michel Make，Guilherme Vaz Analyzing scaling effects onoffshore wind turbines using CFD【J】Renewable Energy,2015(83)：1326-1340汪泉风力机叶片气动外形与结构的参数化耦合设计理论研究D】重庆：重庆大学，2013王玉培，郑立平，刘晓平基于Vimools的Web虚拟现实系统的设计与实现【c】全国安全关键技术与应用学术会议2009240收稿日期：20103-30作者简介：庞博，男，湖南长沙人，硕士研究生，主要从事新能源与节能新技术，热工设备检测与热工计算，计算仿真与优化方面的研究。m吼嘲吲吲叫m万方数据