一种适用于模化仿生前缘流场特征的方法技术

本发明专利技术的适用于模化仿生前缘流场特征的方法，属于风电机叶片流场模拟方法的技术领域，解决现有技术的方法计算量大且耗时长的技术问题。该方法包括S101:基于CAE软件绘制光滑的机翼模型，在机翼模型上绘制仿生前缘的边缘结构，并在机翼模型上或在仿生前缘上添加网格；S102:基于CAE软件模拟气动力流场以获取仿生前缘对流场的作用力，将该作用力以动量原项替代仿生前缘结构；S103:通过作用在仿生前缘的作用力迭代求解的方法获取新的仿生前缘结构。本发明专利技术用以完善风电机叶片流场模拟的使用功能，满足人们对风电机叶片流场模拟耗时短且易于计算的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于模化仿生前缘流场特征的方法
本专利技术属于风电机叶片流场模拟方法的
，尤其涉及一种适用于模化仿生前缘流场特征的方法。
技术介绍
风电机组处在大气边界层中运行，由于风力机叶片的工作环境复杂多变，叶片表面的流动分离频繁发生，导致叶片气动力性能严重恶化。因此，对叶片进行流动分离控制可以有效地提高风电机组的发电效率，促进风电机组安全、稳定运行。现有技术中采用仿生前缘结构作为新型流动控制方法，能够有效地抑制流动分离，提高翼型气动力性能。将仿生前缘结构应用于风力机叶片，需要开展大量计算来实现对叶片结构参数的设计。本案专利技术人发现现有的方法在对仿生翼型数值模拟过程中至少存在以下缺陷：1.计算网格的划分是数值模拟需要最先完成的工作，由于仿生前缘具有复杂的结构形状，这给网格的划分带来了很大的难度。并且，为了提高仿生前缘附近计算结果的准确性，需要对其附近网格进行加密处理，这在很大程度上增加了仿生翼型计算的网格量，直接导致数值计算量大幅度增加，计算耗时延长。2.由于仿生前缘齿形结构的特殊性，很难保证每一处齿间与齿根位置处网格划分的质量，而较差的网格质量直接影响计算精度与计算结果的准确性，并且，需要对不同尺寸参数的仿生前缘进行比较分析，每次计算都需要对翼型的网格进行重新划分，这极大的增加了数值模拟的工作量，给仿生翼型的优化设计带来很大困难。3.对于风力机翼型设计过程中所采用的设计平台与设计程序，只能实现对二维风力机翼型气动力性能的优化设计，而仿生前缘齿形具有明显的三维结构，并且仿生前缘延翼型展向周期性的分布，因此，目前无法更好的实现对仿生前缘翼型气动力性能的优化设计工作。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于模化仿生前缘流场特征的方法，解决现有技术中方法计算量大且耗时长的技术问题。本案的技术方案有诸多技术有益效果，见下文介绍：本案提供一种模拟于模化仿生前缘流场特征的方法，所述方法包括：S101:基于CAE软件绘制光滑的机翼模型，在机翼模型上绘制仿生前缘的边缘结构，并在机翼模型上或在仿生前缘上添加网格；S102:基于CAE软件模拟气动力流场以获取仿生前缘对流场的作用力，将该作用力以动量原项替代仿生前缘结构，如，在光滑翼型前缘位置的网格点处，将该作用力以动量原项的形式替代原有的实体结构，来模拟与实体仿生前缘相同的流场特征，很好地模拟仿生翼型的气动力特征。该专利技术所提供的方法可以省去现有方法在数值计算过程中对仿生前缘复杂结构的网格划分，避免了对网格质量的影响，有效地提高数值计算结果的准确性，极大的减小机翼翼型数值模拟的计算量；S103:通过作用在仿生前缘的作用力迭代求解的方法获取新的仿生前缘结构。将流场对仿生前缘替换的作用力以动量原项进行添加后进行积分，以模拟出能够适应风电机组工作环境复杂多变的叶片，提高叶片气动力性能，促进风电机组安全、稳定运行。在一个优选或可选的实施方式中，模拟气动力流场以获取仿生前缘对流场的作用力的方法包括：在气动力流场的作用下获取所述光滑机翼吸力面和压力面产生的速度差值；所述速度差值基于CAE软件模拟出在流场中产生压力梯度，并以所述压力梯度计算仿生前缘处在流场中产生作用力；所述作用力以动量原项替代实体仿生前缘结构，以获取新的仿生前缘结构。本案的方法巧妙的结合流体力学与结构力学，确定前缘结构所受到的流场的作用力，确保计算的精确性。在一个优选或可选的实施方式中，所述作用力以动量原项替代实体仿生前缘结构的方法包括：确定所要添加动量原项值的大小与方向；沿所述流场的流向和法向对压力梯度中的压力进行积分，计算出仿生前缘所受到的作用力；所述作用力分解为升力与阻力，并转换为体积力；所述体积力以动量原项的形式添加到动量方程中的外力项部分进行迭代计算。在一个优选或可选的实施方式中，所述边缘结构由多个边缘齿，确定所要添加动量原项值的大小方法包括：根据三角翼理论，每个所述边缘齿所受到的整体升力包括势流升力与涡升力，其中：所述势流升力满足LP＝KPsinαcos2α，其中，α为三角翼与入流方向之间的夹角；KP为升力面理论的修正压力值；所述涡升力满足，LV＝KVcosαsin2α，其中，α为三角翼与入流方向之间的夹角，Kv为涡力面理论的修正压力值；根据三角翼理论，每个所述三角翼所产生的整体升力FL与整体阻力FD为：FL＝KPsinαcos2α+KVcosαsin2αFD＝NPsinα＝KPsin2αcosα；在一个优选或可选的实施方式中，定所要添加动量原项值的方向的方法为，每个所述三角翼上各个点受流场的流向和法向的作为所要添加动量原项值的方向。在一个优选或可选的实施方式中，所述通过作用在仿生前缘的作用力迭代求解的方法获取新的仿生前缘结构的方法包括，将升力与阻力转化为体积力的形式进行添加，动量方程中的单位为N/m3，在光滑翼型前缘位置的网格点上将升阻力转化为动量原项进行添加，其中：单位体积的整体阻力，满足：单位体积的整体升力，满足：Vs为每个边缘齿的体积；基于Fluent软件，将所述单位体积的整体阻力和单位体积的整体升力添加流体方程中进行迭代求解，流体方程中的动量方程项的外力项f实现添加升阻力，满足：其中：υ为流动速度；为速度随时间的变化量；ν为流体粘度；ρ为流体密度；f为fx和/或fy；p为流动受到的压力。在一个优选或可选的实施方式中，将动量原项添加到光滑翼型的计算网格点中，流场对仿生前缘产生的作用力能够改变翼型表面的流场特征。在一个优选或可选的实施方式中，所述仿生前缘和/或所述边缘齿的形状和尺寸可任意变换。与现有技术相比，本专利技术提供的技术方案包括以下有益效果：本专利技术专利通过理论推导获得仿生前缘对流场产生的作用力，将该作用力以动量原项的方式代替实体仿生前缘结构，这样可以避免复杂的网格划分以及网格加密处理，只需要利用光滑翼型的网格便可以完成仿生翼型气动力特性与流场特征的研究。研究不同尺寸参数的仿生前缘时，只需要根据仿生前缘的尺寸参数改变加入动量原项值的大小，便可以实现对具有不同尺寸参数仿生前缘翼型的数值计算，适用范围广。该模化方法极大的减少了对仿生前缘翼型数值模拟的计算量与计算时间。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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为本案专利技术的模拟仿生前缘流场特征方法的流程图；图2为传统方法模式实体翼型锯齿前缘的模型；图3为本案专利技术的方法模式翼型锯齿前缘的模型；具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于模化仿生前缘流场特征的方法，其特征在于，所述方法包括：/nS101:基于CAE软件绘制光滑的机翼模型，在机翼模型上绘制仿生前缘的边缘结构，并在机翼模型上或在仿生前缘上添加网格；/nS102:基于CAE软件模拟气动力流场以获取仿生前缘对流场的作用力，将该作用力以动量原项替代仿生前缘结构；/nS103:通过作用在仿生前缘的作用力迭代求解的方法获取新的仿生前缘结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于模化仿生前缘流场特征的方法，其特征在于，所述方法包括：
S101:基于CAE软件绘制光滑的机翼模型，在机翼模型上绘制仿生前缘的边缘结构，并在机翼模型上或在仿生前缘上添加网格；
S102:基于CAE软件模拟气动力流场以获取仿生前缘对流场的作用力，将该作用力以动量原项替代仿生前缘结构；
S103:通过作用在仿生前缘的作用力迭代求解的方法获取新的仿生前缘结构。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模拟气动力流场以获取仿生前缘对流场的作用力的方法包括：
在气动力流场的作用下获取所述光滑机翼吸力面和压力面产生的速度差值；
所述速度差值基于CAE软件模拟出在流场中产生压力梯度，并以所述压力梯度计算仿生前缘处在流场中产生作用力；
所述作用力以动量原项替代实体仿生前缘结构，以获取新的仿生前缘结构。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述作用力以动量原项替代实体仿生前缘结构的方法包括：
确定所要添加动量原项值的大小与方向；
沿所述流场的流向和法向对压力梯度中的压力进行积分，计算出仿生前缘所受到的作用力；
所述作用力分解为升力与阻力，并转换为体积力；
所述体积力以动量原项的形式添加到动量方程中的外力项部分进行迭代计算。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述边缘机构由多个边缘齿组成，确定所要添加动量原项值的大小方法包括：
根据三角翼理论，每个所述三角翼所受到的整体升力包括势流升力与涡升力，其中：
所述势流升力满足LP＝KPsinαcos2α，其中，α为三角翼与入流方向之间的夹角；K...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明明，张一楠，蔡畅，廖猜猜，秦志文，徐建中，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11