2 MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)熱流場數(shù)值模擬

杜丘美，郭 原，劉 健

(重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院， 重慶 400044)

2MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)熱流場數(shù)值模擬

杜丘美，郭 原，劉 健

(重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院， 重慶 400044)

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在使用過程中，會在機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，如果沒有合理的降溫措施，可造成潛在火災(zāi)事故的隱患。針對該問題，使用某風(fēng)電設(shè)備公司提供的2 MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙模型數(shù)據(jù)，利用通用流體力學(xué)分析軟件，對風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙進(jìn)行三維熱流場數(shù)值模擬，通過控制進(jìn)、出風(fēng)口的風(fēng)速，分析熱流場與流場的特點(diǎn)，可為降低機(jī)艙內(nèi)溫度的方法提供理論指導(dǎo)。

風(fēng)電機(jī)艙； 數(shù)值模擬； 能源； CFD；

作為可再生清潔能源，對風(fēng)能的開發(fā)利用成為我國實施可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略中的重要內(nèi)容之一，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為目前最適合我國的一種獲得能源的方式。風(fēng)機(jī)主要安裝于山地、海濱等風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，而這些地區(qū)通常氣候條件相對復(fù)雜、交通不便，發(fā)生風(fēng)機(jī)機(jī)艙火情后，往往無法控制。由于風(fēng)機(jī)造價高昂，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成巨大的損失。據(jù)英國風(fēng)能機(jī)構(gòu)的不完全統(tǒng)計，截至2009年，全球共發(fā)生風(fēng)電機(jī)組重大事故715起，其中火災(zāi)事故138起，占總數(shù)的19.3%，位列第2[1]。因此，火災(zāi)已成為重大的毀機(jī)災(zāi)害。通過研究風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)熱流場，可以為風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計和安全運(yùn)行提供重要的理論基礎(chǔ)[2-3]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)部發(fā)熱的主要部件是齒輪箱和發(fā)電機(jī)，相較與風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部發(fā)熱部件的研究，針對整個風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)熱流場的分析目前并不多見[4-5]，已有文獻(xiàn)以汽車發(fā)動機(jī)機(jī)艙的流場分析居多。本文采用商業(yè)軟件Solid works建模，再利用CFD商業(yè)軟件Fluent，對某風(fēng)電設(shè)備公司提供的風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙進(jìn)行三維熱流場數(shù)值模擬，通過兩種模型和多種不同風(fēng)速工況對比，研究分析內(nèi)部流動現(xiàn)象及散熱情況，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 計算模型與網(wǎng)格劃分

本文采用Solid Works建模，根據(jù)實際尺寸建立幾何模型。圖1為風(fēng)機(jī)部分幾何模型。將建好的主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器以及箱體等部分裝配成一體，得到風(fēng)電機(jī)組的幾何模型，如圖2所示。

圖1 主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)及變頻器的幾何模型

圖2 風(fēng)電機(jī)組的幾何模型三視圖

在實際計算過程中，為提升計算效率，在不影響風(fēng)場或?qū)︼L(fēng)場影響很小的基礎(chǔ)上，去除部件的倒角、螺帽等不規(guī)則小組件。網(wǎng)格采用ICEM CFD進(jìn)行劃分，如圖3所示。網(wǎng)格劃分時使用Tetra/Mixed網(wǎng)格類型，它是一種應(yīng)用廣泛的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格類型。使用八叉樹方法生成四面體網(wǎng)格，這是一種自上而下的網(wǎng)格生成方法。網(wǎng)格劃分共含有188 051個單元、31 839個節(jié)點(diǎn)。

1.2 邊界條件

建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙模型共有4個入風(fēng)口和4個出風(fēng)口。其中：入風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為速度入口； 機(jī)艙底部有大小不同的2個入風(fēng)口； 塔架入風(fēng)口位于機(jī)艙與塔架連接處； 發(fā)電機(jī)為單獨(dú)的風(fēng)道，有1個入風(fēng)口； 4個入風(fēng)口的風(fēng)速分6種不同工況，見表1。其余2個出風(fēng)口(齒輪箱、發(fā)電機(jī)出風(fēng)口)邊界條件設(shè)置為壓力出口邊界，在速度選項選擇速度方向垂直于邊界，速度值大小為 4 m/s； 湍流選項均為默認(rèn)值，湍流強(qiáng)度為5%，湍流黏度比為10。以上所有入風(fēng)口的溫度均與外部環(huán)境溫度相同，大小為313.15 K(40 ℃)。

圖3 6種工況下風(fēng)機(jī)齒輪箱溫度分布情況

除上述入風(fēng)口、出風(fēng)口外，其余部件邊界條件均設(shè)置為wall(壁面)，各種部件的發(fā)熱量如表2所示。

表1 6種工況對應(yīng)進(jìn)、出口風(fēng)速大小

表2 各部件發(fā)熱量設(shè)置

1.3 參數(shù)定義

選用鋼作為風(fēng)機(jī)部件及箱體的材料，其參數(shù)如表2所示。計算時利用商用軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬[6-9],采用Standardk-ε模型，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。熱量的傳遞方式主要以熱對流為主，同時假定氣流是穩(wěn)定、黏性、不可壓縮流體。計算時的時間步長為自適應(yīng)，時間步數(shù)為10 000步，每步迭代10次。

2 計算結(jié)果及分析

本文采用控制入風(fēng)口和出風(fēng)口風(fēng)速條件對風(fēng)機(jī)機(jī)艙的熱穩(wěn)態(tài)進(jìn)行分析，觀察機(jī)艙在不同進(jìn)、出風(fēng)口風(fēng)速下的發(fā)熱情況。在研究齒輪箱、發(fā)電機(jī)以及變頻器的熱量產(chǎn)生情況時，截取這3個部件的一個發(fā)熱量較大的具有代表性的橫截面來研究，圖3、4為溫度分布云圖。將模擬后的數(shù)據(jù)整理成表格，見表3。

表3 風(fēng)機(jī)部件及箱體的材料參數(shù)

圖4 6種工況下風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)體和變頻器體溫度分布情況

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速/(m·s-1)0246810發(fā)電機(jī)體內(nèi)部溫度/K329．85329．86322．48316．47315．86315變頻器體內(nèi)部溫度/K320．52320．16317．52314．66314．36313．95齒輪箱體內(nèi)部溫度/K329．85329．86322．48316．47315．86315

結(jié)合溫度云圖和表格數(shù)據(jù)可以看出：在進(jìn)、出風(fēng)口風(fēng)速都為0的情況下，發(fā)電機(jī)、變頻器、齒輪箱內(nèi)部的溫度都是非常高的，最高可達(dá)329.85 K(56.7℃)。因為發(fā)電機(jī)體和齒輪箱體的發(fā)熱量設(shè)定值相差不大，導(dǎo)致其溫度也基本一致。溫度場在計算域內(nèi)的分布仍然不均勻，僅僅在發(fā)熱體周圍產(chǎn)生溫度變化，而在其他區(qū)域仍然維持著初始溫度。

這種情況發(fā)生的原因主要是由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)太低，發(fā)熱體的熱量不能很快地擴(kuò)散到空氣中，導(dǎo)致發(fā)熱體周圍聚集著大量的熱量。在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速提升到2 m/s、出風(fēng)口風(fēng)速為12 m/s時，3個部件內(nèi)部的溫度變化不大，當(dāng)風(fēng)速再提高的時候，3個部位的溫度降低的幅度比較明顯，當(dāng)風(fēng)速大于6 m/s時趨于穩(wěn)定。

圖5為機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為6 m/s、出風(fēng)口風(fēng)速為16 m/s時的速度矢量圖。再截取一個截面，在此截面可以觀測到進(jìn)、出風(fēng)口風(fēng)速，圖6為其速度分布云圖。由圖5的速度矢量圖可以看出：在進(jìn)、出風(fēng)口附近速度很大，但是幾個發(fā)熱量大的部件周圍風(fēng)速很小。圖6中截面的速度分布云圖也同樣說明了這一點(diǎn)。

圖5 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為6 m/s時機(jī)艙內(nèi)部速度矢量圖

圖6 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為6 m/s時機(jī)艙內(nèi)部主要進(jìn)出風(fēng)口處截面的速度分布云圖

3 結(jié)束語

導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部溫差過大、熱量無法排放的根本原因是機(jī)艙內(nèi)部空氣流動不充分、內(nèi)外部氣體交流不充分。因此，加強(qiáng)機(jī)艙內(nèi)部空氣流動、推動內(nèi)外部氣體交流是改善風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙熱流場的有效辦法。此外，還可以考慮水冷、油冷，以及安裝空調(diào)系統(tǒng)等方法來對機(jī)艙散熱進(jìn)行改進(jìn)。

[1] 王清照,王明軍,朱彬.風(fēng)電機(jī)組重大事故分析(一)[J].風(fēng)能,2014(6):60-63.

[2] 杜鵬.基于ANSYS的風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部溫度分布模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2014.

[3] 馬鐵強(qiáng),孫德濱,蘇陽陽.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部氣流組織優(yōu)化方法研究[J].重型機(jī)械,2017,(1):29-34.

[4] 張耀華,唐勝利,李隆鍵.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維流場數(shù)值仿真[J].計算機(jī)仿真,2014,31(1):132-135.

[5] 丁欣碩，焦楠.FLUENT 14.5:流體仿真計算—從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社，2014.

[6] ANDERSON J D.Computation Fluid Dynamics[M].Beijing:China Machine Press,2007.

[7] 李志印，熊小輝，吳家鳴.計算流體力學(xué)常用數(shù)值解法簡介[J].廣東造船,2004,3:5-8.

[8] 張建文,楊振亞,張政.流體流動與傳熱過程的數(shù)值模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[9] 丁欣碩，焦楠.FLUENT 14.5:流體仿真計算—從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社，2014.

SimulationofThermalFlowFieldina2MWWindTurbineNacelle

DU Qiumei, GUO Yuan, LIU Jian

(College of Aerospace Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

When the large wind turbine is on working, there will generate a great deal of heat and might cause fire accident without an appropriate way to reduce the temperature in the nacelle. This paper selected a 2MW wind turbine nacelle model to simulate the thermal flow field in the nacelle by using CFD method software. By controlling the speed of wind of air inlets and outlets, it is possible to analyze the characteristics of the thermal flow field and flow field, and also the suggestion of improvement to reduce the temperature in the nacelle is given.

wind turbine nacelle; numerical simulation; energy; CFD

2017-06-22

橫向基金資助項目“2MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)熱流場分析”(1042012920150110)

杜丘美(1995—)，女，碩士研究生，主要從事計算流體方面的研究工作，E-mail：dqmz12345@126.com。

杜丘美，郭原，劉健.2 MW風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)熱流場數(shù)值模擬[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(12):111-115.

formatDU Qiumei, GUO Yuan, LIU Jian.Simulation of Thermal Flow Field in a 2MW Wind Turbine Nacelle[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):111-115.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.019

TM315

A

1674-8425(2017)12-0111-05

(責(zé)任編輯陳 艷)