50kW太阳能烟囱电站涡轮机的数值模拟
某电站50 MW水轮发电机数学建模和仿真分析
２０２０年第１２期２０２０Ｎｕｍｂｅｒ１２水电与新能源ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３４卷Ｖｏｌ.３４ＤＯＩ:１０.１３６２２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ４２－１８００/ｔｖ.１６７１－３３５４.２０２０.１２.０１２收稿日期:２０２０－０９－０５作者简介:柳呈祥ꎬ男ꎬ助理工程师ꎬ主要从事水电站励磁㊁直流系统调试㊁检修㊁维护工作ꎮ某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析柳呈祥ꎬ张元栋ꎬ程诗龙ꎬ黄柯维(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂ꎬ湖北宜昌㊀４４３１３３)摘要:以某电站５０ＭＷ水轮发电机组为研究对象ꎬ对电机进行了模型参数计算ꎬ建立了发电机的数学模型ꎻ应用Ｍａｔｌａｂ软件中的ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具ꎬ以建立的数学模型为基础搭建了凸极水轮发电机仿真模型ꎬ并对所建模型并网后的运行特性进行仿真研究ꎬ验证了所建模型的正确性ꎮ关键词:水轮发电机ꎻ参数计算ꎻＭａｔｌａｂꎻ数学模型中图分类号:ＴＭ３１２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７１－３３５４(２０２０)１２－００４９－０５ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａ５０ＭＷＨｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅＧｅｎｅｒａｔｏｒＵｎｉｔＬＩＵＣｈｅｎｇｘｉａｎｇꎬＺＨＡＮＧＹｕａｎｄｏｎｇꎬＣＨＥＮＧＳｈｉｌｏｎｇꎬＨＵＡＮＧＫｅｗｅｉ(ＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＰｌａｎｔꎬＣｈｉｎａＹａｎｇｔｚｅＰｏｗｅｒＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＹｉｃｈａｎｇ４４３１３３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｆｏｒａ５０ＭＷｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.ＴｈｅｎꎬａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎＳｉｍｕｌｉｎｋｔｏｏｌｂｏｘｉｎＭａｔｌａｂｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ.Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔꎻｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎻＭａｔｌａｂꎻｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ㊀㊀同步发电机是电力系统的心脏ꎬ直接影响电力系统的的稳定运行ꎮ由于电机非线性㊁强耦合㊁多变量的特点ꎬ电机的动态特性复杂ꎬ而电机的动态性能对电力系统的动态稳定非常重要ꎬ所以对电机的模型进行深入的研究是十分必要的[１]ꎮ对于同步电机的数学模型主要有ａｂｃ轴和ｄｑ轴两种参考坐标系ꎬａｂｃ坐标系可以完整反映气隙基波和谐波磁场的电磁关系ꎬ但是电感参数变化会给此坐标系下的计算和分析造成不便ꎻｄｑ轴坐标系只计基波磁场的作用ꎬ可以实现定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电感解耦ꎬ目前来说ꎬ通常采用ｄｑ轴坐标进行电机建模ꎮ本文以某电站凸机同步发电机为例ꎬ建立了发电机在ｄｑ轴下的数学模型ꎬ并对此模型进行了Ｍａｔｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真ꎬ最后对仿真波形进行分析ꎬ验证了模型的正确性ꎮ１㊀发电机数学模型１.１㊀ｄｑ坐标系下的电机有名值方程为了建立同步发电机模型ꎬ必须对实际电机作必要的简化假设:１)定子三相绕组结构上完全相同ꎬ在空间上相差１２０ʎ电角度ꎮａｂｃ三相绕组对其轴线而言结构对称ꎮ２)电机转子在结构上是完全对称的ꎮ转子各绕组如果有电流ｉ流过ꎬ只考虑正弦基波分量ꎮ３)对于电机沿直轴或交轴的磁路ꎬ如果磁势波是对称于直轴或交轴正弦分布的ꎬ则磁密波也对称于直轴或者交轴正弦分布ꎬ或者说对于磁密波只计其基波分量[２]ꎮｄｑ坐标系下的电机暂态方程适应转子的旋转和凸极效应ꎬ所以一般选用ｄｑ坐标系建模ꎮ电压和磁链方程如下ꎮ９４水电与新能源２０２０年第１２期电压方程:ｕｄ＝ｐψｄ－ωψｑ－ｒｉｄｕｑ＝ｐψｑ＋ωψｄ－ｒｉｑｕｆ＝ｐψｆ＋ｒｆｉｆ０＝ｐψＤ＋ｒＤｉＤ０＝ｐψＱ＋ｒＱｉＱ(１)式中:ｕｄ㊁ｕｑ㊁ｕｆ分别为ｄｑ轴电压和励磁绕组的电压ꎻψｄ㊁ψｑ㊁ψｆ㊁ψＤ㊁ψＱ分别为各绕组磁链ꎻｉｄ㊁ｉｑ㊁ｉｆ㊁ｉＤ㊁ｉＱ分别为各绕组中流过的电流瞬时值ꎻｒ㊁ｒｆ㊁ｒＤ㊁ｒＱ分别为各绕组电阻ꎻω为转子电角速度ꎻｐ为微分算子ꎬｐ＝ｄｄｔꎮ磁链方程:㊀ψｄψＦψＤæèçççöø÷÷÷＝ＬｄＭｆＭＤＫＭｆＬｆＭＲＫＭＤＭＲＬＤéëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúú㊀ψｑψＱæèçöø÷＝ＬｄＭＱＫＭＱＬＱéëêêùûúú－ｉｄｉＱéëêêùûúú(２)式中:Ｌｄ㊁Ｌｑ分别为ｄｑ同步电感系数ꎻＬｆ㊁ＬＤ㊁ＬＱ分别为励磁和阻尼绕组自感系数ꎻＭＲ为励磁和阻尼Ｄ绕组自感系数ꎻＭｆ㊁ＭＤ㊁ＭＱ分别为定子和转子绕组互感系数幅值ꎮ１.２㊀ｄｑ坐标系下的标幺值方程用有名值来进行同步电机的分析时ꎬ存在量级差异较大的情况ꎬ用归算到自身容量基值下的标幺值表示则更加合理ꎮ因此ꎬ对电机有名值方程还需进行标幺化ꎮ对有名值方程进行规范化的过程就是标幺化的过程ꎬ首先要确定有关变量的基准值ꎮ发电机定子侧基准电压ＵＢ㊁基准电流ＩＢ㊁基准容量ＳＢ㊁基准频率ｆＢ和基准角频率ωＢ为[３]㊀㊀ＵＢ＝２ＵＲ㊀㊀ＩＢ＝２ＩＲ㊀㊀ＳＢ＝ＳＲ＝３ＵＲＩＲ＝３２ＵＢＩＢ㊀㊀ｆＢ＝５０Ｈｚ㊀㊀ωＢ＝２πｆｂ式中:ＵＲ为发电机额定相电压有效值ꎻＩＲ为发电机额定相电流有效值ꎻＳＲ为发电机额定容量ꎮ定子侧绕组基准磁链ψＢ㊁基准自感系数ＬＢ和时间基准值ｔＢ关系为ψＢ＝ＵＢｔＢψＢ＝ＬＢＩＢ转子ｆ㊁Ｄ和Ｑ各绕组变量分别取以下基准值ＵｆＢ＝ＫＦＵＢＵＤＢ＝ＫＤＵＢＵＱＢ＝ＫＱＵＢüþýïïïψｆＢ＝ＫＦψＢψＤＢ＝ＫＤψＢψＱＢ＝ＫＱψＢüþýïïïＩｆＢ＝３２１ＫＦＩＢＩＤＢ＝３２１ＫＤＩＢＩＱＢ＝３２１ＫＱＩＢüþýïïïïïïïＳＦＢ＝ＳＤＢ＝ＳＱＢ＝ＳＲ式中:ＫＦ㊁ＫＤ为励磁和阻尼Ｄ绕组对定子ｄ绕组的等效匝比ꎻＫＱ为阻尼Ｑ绕组对定子ｑ绕组的等效匝比ꎮ经过规范化后的磁链方程为ψｄψＢψｆψｆＢψＤψＤＢæèçççççççöø÷÷÷÷÷÷÷＝ＬｄＬＢＭｆ２３ＫＦＬＢＭＤ２３ＫＤＬＢ２３ＭｆＫＦＬＢＬｆ２３ＫＦ２ＬＢＭＲ２３ＫＤＫＦＬＢ２３ＭＤＫＤＬＢＭＲ２３ＫＦＫＤＬＢＬＤ２３ＫＤ２ＬＢéëêêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúúú－ｉｄＩＢｉｆ３２１ＫＦＩＢｉＤ３２１ＫＤＩＢéëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúψｑψＢψｑψＱＢæèççççöø÷÷÷÷＝ＬｑＬＢＭＱ２３ＫＱＬＢ２３ＭＤＫＱＬＢＬＱ２３ＫＱ２ＬＢＬＱéëêêêêêêêêùûúúúúúúúú－ｉｑＩＢｉＱ３２１ＫＱＩＢéëêêêêêêùûúúúúúú(３)由于电感标幺值与电抗标幺值相等ꎬ可以不区分ꎬ上式可改写为ψｄ∗ψｆ∗ψＤ∗æèçççöø÷÷÷＝Ｘｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘｆ∗ＸＲ∗Ｘａｄ∗ＸＲ∗ＸＤ∗éëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúúψｑ∗ψＱ∗æèçöø÷＝Ｘｑ∗Ｘａｑ∗Ｘａｑ∗ＸＱ∗éëêêùûúú－ｉｑｉＱéëêêùûúú(４)电压方程为０５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月ｕｄ∗＝ｄｄｔ∗(ψｄ∗)－ω∗ψｑ∗－ｒ∗ｉｄ∗ｕｑ∗＝ｄｄｔ∗(ψｑ∗)＋ω∗ψｄ∗－ｒ∗ｉｑ∗ｕｆ∗＝ｄｄｔ∗(ψｆ∗)＋ｒｆ∗ｉｆ∗ｕＤ∗＝ｄｄｔ∗(ψＤ∗)＋ｒＤ∗ｉＤ∗＝０ｕＱ∗＝ｄｄｔ∗(ψＱ∗)＋ｒＱ∗ｉＱ∗＝０(５)由于后续分析的电气量均为标幺值ꎬ将∗省略ꎮ电机参数一般以运算电抗和实用参数给出ꎬ其中ｄｑ轴运算电抗为Ｘｄ(ｐ)＝ψｄ－ｉｄＸｑ(ｐ)＝ψｑ－ｉｑ由式(４)和(５)可求得:㊀㊀Ｘｄ(ｐ)＝Ｘｄ－Ｂ(ｐ)Ａ(ｐ)Ａ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤＸｆ－Ｘａｄ２)＋ｐ(ＸＤｒｆ＋ＸｆｒＤ)＋ｒＤｒｆＢ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤ＋Ｘｆ－２Ｘａｄ)Ｘａｄ２＋ｐ(ｒｆ＋ｒＤ)Ｘａｄ２㊀㊀Ｘｑ(ｐ)＝Ｘ１＋Ｘａｑ(ＸＱ１＋ｒＱｐ)Ｘａｑ＋(ＸＱ１＋ｒＱｐ)(６)除以上电磁方程ꎬ还有转子运动方程２Ｈｄωｄｔ＝Ｔｍ－ＴｅＴｅ＝ψｄｉｑ－ψｑｉｄ(７)式中:Ｈ为机组惯性时间常数ꎻＴｍ为机械力矩ꎻＴｅ为电磁转矩ꎮ２㊀标幺值选定和仿真参数计算表１为某电站发电机主要电气参数ꎬ由式(４)(５) (７)搭建电机模型需知道发电机定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电抗值㊁电阻值ꎬ还需知道机组惯性时间常数ꎮ由于建模采用标幺值系统ꎬ应对发电机电气参数进行标幺化ꎬ本节对发电机标幺值选定和发电机参数进行分析和计算ꎮ定子绕组基准值选择[４－５]ＳａＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＵａＢ＝２ＵＲ＝２ˑ１０５００/３＝８５７３.２ＶＩａＢ＝２ＩＲ＝４５７４.３Ａ表１ 发电机主要电气参数表项目额定工况发电机功率ＰＮ/ＭＷ５０功率因数ｃｏｓφＮ０.８５发电机容量ＳＮ/ＭＶＡ５８.８额定电压ＵＮ/ｋＶ１０.５额定电流ＩＮ/Ａ３２３４.５额定转速ｎＮ/(ｒ ｍｉｎ－１)２７２.７额定频率ｆＮ/Ｈｚ５０直轴同步电抗Ｘｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.１.０５８直轴瞬变电抗Ｘᶄｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.０.３０７直轴超瞬变电抗Ｘᵡｄ/ｐ.ｕ.０.２０３交轴同步电抗Ｘｑ/ｐ.ｕ.０.６７５交轴超瞬变电抗Ｘᵡｑ/ｐ.ｕ.０.２１４定子绕组漏抗Ｘ１/ｐ.ｕ.０.１１９ｄ轴短路暂态时间常数Ｔᶄｄ/ｓ１.９６２ｄ轴开路暂态时间常数Ｔᶄｄ０/ｓ６.７６ｄ轴短路次暂态时间常数Ｔᵡｄ/ｓ０.０４４１ｄ轴开路次暂态时间常数Ｔᵡｄ０/ｓ０.０６６５ｑ轴短路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ/ｓ０.０５０２ｑ轴开路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ０/ｓ０.１５７９６空载励磁电流Ｉｆ０/Ａ５９３额定励磁电流ＩｆＮ/Ａ１０６７额定励磁电压ＵｆＮ/Ｖ１６４定子绕组电阻Ｒａ/Ω０.００６４５励磁绕组电阻Ｒｆ/Ω０.１３０７飞轮力矩ＧＤ２/ｔｍ２１８５０ｆａＢ＝５０ＨｚωＢ＝２πｆＢ＝３１４.１６ｒａｄ/ｓＺａＢ＝ＲａＢ＝ＸａＢ＝１.８７４２ΩＬａＢ＝ＸａＢ/ωＢ＝５.９６６ˑ１０－３ＨψａＢ＝ＬａＢＩａＢ＝２７.２９Ｗｂ励磁绕组基准值选择ＳｆＢ＝ＳｆＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＬｄｆ＝ＵＢωＢｉｆ｜ｉｆ＝５９３Ａ＝０.０４６０２ＨＸａｄ∗＝Ｘａｄ∗－Ｘ１∗＝０.９３９ＩｆＢ＝ＸａｄＩＢωＢＬｄｆ＝(Ｘｄ－Ｘ１)ＩＢωＢＬｄｆ＝５５６.８Ａ１５水电与新能源２０２０年第１２期ＵｆＢ＝ＳＢＩｆＢ＝１０５.６ｋＶＺｆＢ＝ＲｆＢ＝ＸｆＢ＝１８９.７ΩＬｆＢ＝ＸｆＢ/ωＢ＝０.６０３８ＨψｆＢ＝ＬｆＢＩｆＢ＝３３６.２Ｗｂ定转子之间的互感基值选择ＬａｆＢ＝２３ＬａＢＬｆＢ＝０.０４９ＨＬｆａＢ＝２３ＬａｆＢ＝０.０７３５Ｈ力矩基值ＴＢ＝ＳａＢωｍＢ＝ｎｐＳａＢωｅＢ＝１１ˑ５８.８ˑ１０６３１４.１６＝２.０６ˑ１０６Ｎ ｍ由电机实用参数可继续求解得到电机模型参数[６](由于模型建立在标幺值基础上ꎬ后续如无特别说明均省略符号∗):Ｘａｄ＝Ｘｄ－Ｘ１＝０.９３９Ｘａｑ＝Ｘｑ－Ｘ１＝０.５５６Ｘｆ＝Ｘａｄ２Ｘｄ－Ｘᶄｄ＝１.１７４ＸＤ＝２.５５９ＸＱ＝０.６７１ｒ＝３.４４１ˑ１０－３ｒｆ＝５.５２８ˑ１０－３ｒＤ＝０.０８６５ｒＱ＝３.１６２ˑ１０－３转动惯量Ｊ＝１４ＧＤ２ˑ１０３＝４６２.５ˑ１０３ｋｇ ｍ２机组惯性时间常数Ｈ＝１２ＪωｍＢ２ＳａＢ＝３.２１ｓ至此ꎬ电机仿真所需所有建模参数均已求得ꎮ３㊀仿真模型３.１㊀模型搭建如图１所示ꎬ按照前面两节的电机电压方程㊁磁链方程㊁功率方程㊁电磁力矩方程和转子运动方程搭建电机模型ꎮ明显地ꎬ当考虑定子绕组㊁转子绕组和励磁绕组的电磁暂态过程以及转子的机械过渡过程时ꎬ发电机为七阶模型ꎬ完整的反映了电机系统的物理特性ꎮ电机模型采用标幺值系统ꎬ与上节的计算和分析对应ꎮ励磁系统采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ自带的ＥｘｃｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍꎬ控制方式为ＰＩＤ＋ＰＳＳ２Ｂꎮ变压器选择Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＴｒａｎｓ￣ｆｏｒｍｅｒꎬ容量选择６０ＭＶＡꎬ一二次侧电压为１０.５ｋＶ/３５ｋＶꎮ输电线路选择３－ＰｈａｓｅＳｅｒｉｅｓＲＬＣＢｒａｎｃｈ(电阻０.００３Ωꎬ电感为０.００５Ｈ)ꎮ无穷大系统用３－ｐｈａｓｅＳｏｕｒｃｅ模块(１００００ＭＶＡ３５ｋＶ)和３－ｐｈａｓｅｐａｒａｌｌｅｌＲＬＣｌｏａｄ模块组成ꎮ图１㊀发电机Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型图２５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月３.２㊀仿真波形搭建好仿真模型后ꎬ可以对电机暂态过程进行模拟仿真ꎮ机械功率输出Ｐｍ＝１(ｐ.ｕ.)ꎬ给定电压Ｖｒｅｆ＝１(ｐ.ｕ.)ꎮ励磁电流Ｉｆ㊁励磁电压Ｕｆ㊁ｄｑ轴电压和电流㊁电磁功率Ｐｅ和输出功率Ｐｅｏ的仿真波形如图２－图４所示ꎮ图２㊀Ｉｆ㊁Ｕｆ㊁Ｕｄ和Ｕｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)图３㊀ｉｄ和ｉｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)从图中可知ꎬ励磁电压㊁励磁电流随时间趋于稳定并达到额定值ꎮＵｄ和Ｕｑ的稳定值分别为０.６４７(ｐ.ｕ.)和０.７６３(ｐ.ｕ.)ꎮＵｄ２＋Ｕｑ２稳定值刚好趋于图４㊀Ｐｅ和Ｐｅｏ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)电压额定值ꎮ电磁功率和电磁输出功率趋于１(ｐ.ｕ.)ꎬ和给定的机械功率平衡ꎬ因为模型中未考虑摩擦转矩作用ꎬ这与理论分析的结果是一致的ꎮ综合以上发电机电气量仿真波形ꎬ本文搭建的发电机模型正确ꎬ可真实反映发电机电气和机械特性ꎮ４㊀结㊀语发电机系统是一个典型非线性㊁强耦合的高阶系统ꎬ动态性能复杂ꎬ所以对发电机的建模力求精确ꎮ本文介绍了建立发电机ｄｑ轴坐标系下数学模型的基本方法ꎬ接着对某电站的电机参数进行了分析和计算ꎬ搭建了基于实际凸机水轮发电机的模型ꎬ最后通过Ｍａｔ￣ｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真验证了模型的正确性ꎮ参考文献:[１]余贻鑫ꎬ陈礼义.电力系统的安全性和稳定性[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８８[２]黄家裕ꎬ岑文辉.同步电动机基本理论及其动态行为分析[Ｍ].上海:上海交通大学出版社ꎬ１９８９[３]高景德ꎬ张麟征.电机过渡过程的基本理论及分析方法[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８２[４]韩富春ꎬ闫根弟.暂态稳定数字仿真中发电机数学模型的研究[Ｊ].太原理工大学学报ꎬ２００５ꎬ３６(１):７５－７８[５]宋宏志.不同工况下大型水轮发电机电磁参数的计算[Ｄ].北京:华北电力大学ꎬ２０１１[６]倪以信ꎬ陈寿孙ꎬ张宝霖.动态电力系统的理论和分析[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００２３５。
风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟
风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟一、风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟概述风力涡轮机作为可再生能源领域的重要技术之一，其效率和性能直接影响到能源的转换效率和经济效益。
在风力涡轮机的运行过程中，叶片的气动噪声是一个不可忽视的问题，它不仅影响周围环境的声学舒适度，还可能对机器的长期运行造成不利影响。
因此，对风力涡轮机叶片气动噪声进行数值模拟，以预测和降低噪声，具有重要的实际意义。
1.1 风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟的重要性数值模拟作为一种高效、低成本的研究手段，可以对风力涡轮机叶片在不同工况下的气动噪声进行预测和分析。
通过数值模拟，可以深入理解噪声产生的机理，为叶片设计优化提供理论依据。
1.2 风力涡轮机叶片气动噪声的数值模拟的研究现状目前，气动噪声的数值模拟主要采用计算流体动力学（CFD）和声学模拟相结合的方法。
CFD用于模拟叶片周围的流场，而声学模拟则用于预测由此产生的噪声。
随着计算机技术的发展，数值模拟的精度和效率不断提高，已经成为风力涡轮机叶片气动噪声研究的重要工具。
二、风力涡轮机叶片气动噪声数值模拟的理论基础2.1 气动噪声产生的机理气动噪声是由流体与固体表面相互作用产生的，其主要来源包括叶片表面的压力波动、尾迹涡流的脱落以及叶片与周围空气的湍流相互作用等。
这些因素共同作用，导致声波的辐射。
2.2 数值模拟方法数值模拟通常采用有限体积法（FVM）或有限元法（FEM）来离散控制方程，通过求解Navier-Stokes方程来模拟流场。
对于声学模拟，可以采用声学类比法（ANA）或直接求解声波方程的方法。
2.3 边界条件和模拟参数在进行数值模拟时，需要合理设置边界条件，包括入口和出口的流动条件、叶片表面的无滑移条件以及远场的辐射条件等。
此外，模拟参数的选择，如时间步长、网格密度等，也对模拟结果的准确性有重要影响。
三、风力涡轮机叶片气动噪声数值模拟的关键技术3.1 网格生成技术网格生成是数值模拟的第一步，它直接影响到模拟的精度和效率。
基于太阳能烟囱效应的光伏组件强化散热装置设计与数值模拟研究
基于太阳能烟囱效应的光伏组件强化散热装置设计与数值模拟研究龚恒翔;谢世列;邹政;汪静姝;肖旭【摘要】为减少高温对光伏组件光电转换效率的不利影响,本文提出了一种基于太阳能烟囱效应的强化散热装置,可利用太阳能热效应激发气流,提高光伏阵列与周围空气的对流散热效果.利用CFD软件对该散热装置进行了数值模拟研究,以掌握太阳辐射强度及环境温度对该散热装置冷却性能的影响.结果表明,当太阳辐照强度为550 W/m2时,在散热风道内可以形成风速约为1.8 m/s的稳定流场,且在有、无匹配强化散热装置条件下对光伏阵列的温度分布情况进行了对比分析,发现匹配强化散热装置可使光伏阵列的工作温度进一步降低14℃.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)007【总页数】7页(P990-996)【关键词】光伏组件;被动式空冷;强化散热;太阳能烟囱【作者】龚恒翔;谢世列;邹政;汪静姝;肖旭【作者单位】重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054【正文语种】中文【中图分类】TK;TM914光伏组件是以太阳能电池片为核心，直接将光能转化为电能的装置。
太阳能电池片的工作机制及光伏组件的结构特点决定了光伏组件在工作过程中，入射光能只有少部分转化为电能，大部分转化为热能，导致光伏组件温度升高。
硅基光伏组件在标准状况下（太阳辐射强度为1 000 W/m2，工况温度为25℃）光电转换效率为12%～17%[1]，光伏组件温度每升高1℃，光电转换效率下降0.5%[2]。
高温是光伏发电工程技术中的一个重大问题，将光伏组件的温度控制在适合范围内具有重大意义。
目前光伏组件散热技术大体可分为空冷散热[3]，[4]和水冷散热[5]，[6]两种。
由于主动式空冷散热技术和水冷技术不得不采用风机或水泵，而风机和水泵在使用过程中容易发生故障，出于节能及可靠性两方面考虑，被动式空冷技术受到越来越多的重视。
某热电厂烟囱爆破拆除过程的数值模拟分析
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｓ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｎ ｄ ａ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｓ ｉ ｎ ｃ ｈ ｉ ｍｎ ｅ ｙ ｄ ｅ ｍｏ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ｍａ ｎ ｔ ｌ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ，ｔ ｈ ｉ ｓ ｈｅ ｔ ｓ ｉ ｓ ｌｓ ａ ｏ ｎａ ａ ｌｙ ｚ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ ｍａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｎ ｅ ｅ ｄ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｓ ｅ－ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ
拆 除 效 果 进 行 比较 ． 以选择最优化方案 。 在 爆 破 拆 除 的数 值
仿 真 过 程 中 ．需 要 借 助 先 进 的计 算 技 术 及 优 良的 可 视 化 图
— — — —
形模 拟 系 统 ， 对爆破拆 除的各种效果进行全面模拟 ， 以达 到
在 实 际 拆 除 爆 破 对 将 要 发 生 的过 程 进 行 全 面 预 演 ．完 成 从
江 苏建 筑
２ ０ １ ４年第 ３ 期（ 总第 １ ６ ２期 ）
３ ９
某热 电厂烟囱爆破拆除过程的数值模拟分析
刘 向 东 １左社 强 ． 贾志彬
（ 海 军工 程大 学 ， 湖北武 汉 ４ ３ ０ ０ ３ ３ ； 总参 工程 兵科 研 三所 ， 河南洛 阳 ４ ７ １ ０ ２ ３ ）
Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｉ ｎ Ｃｈ ｉ ｍｎ ｅ ｙ Ｄｅ ｍｏ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｄｉ ｓ ｍａ ｎ ｔ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ａ
太阳能烟囱发电系统的CFD模拟研究
取驯Ｄ枷值与上面相同，取集热棚直径Ｄｃｄｌ
为１
０００
ｍ，改变集热棚人口处高度鼠分别为
ｍ进行数值模拟。
２，３，４，５，６ ・８・
万方数据
范振河。等
太阳能烟囱发电系统的ＣＦＤ模拟研究
建造成本的考虑，集热棚入口高度风应取尽量小 的数值。但风过小，集热棚入口处气流会产生较 大的阻力损失，所以鼠数值应综合考虑。在以下 的数值模拟中，风的选取使集热棚入口处的气流
热棚的倾斜度略小于５％嘲一。出于分析的需要，改 变一个参数的同时．其它参数保持不变。
作者简介：范振河（１９６７一），男，汉族，山东滨州人，硕士，副教授，主要从事太阳能利用技术研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｄｘ０８０＿００１＠１６３．ｃｏｎｌ
・７・
万方数据
可再生能源
１．２数学模型 太阳能烟囱发电装置是一个轴对称图形，故 采用二维轴对称模型（图１）。计算域的边界包括 压力入口１、无滑移的壁面边界２，３，４、轴对称边 界５和压力出口６。在模拟计算过程中没有考虑 涡轮机的影响。 通过模拟获得烟囱入口处气流的质量流率和 密度ｐｍ，采用式（１）计算烟囱入口处的气流速度
ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｃｈｉｍｎｅｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＣＦＤ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒ
０引言
气流发电的热力循环过程即是热机循环过程【１】一。 本文采用计算流体动力学（ＣＦＤ）方法对整个 发电系统的流场、温度场和压力场进行模拟，并着 重分析了系统几何参数对系统效率的影响。 １物理数学模型 １．１物理模型 假设环境温度为２９３ Ｋ。太阳辐照度Ｇ＝
第２７卷第４期 ２００９年８月
数值模拟在太阳能烟囱通风效应研究中的应用
ｔａｉ ｄ ｐ ｒｐ ｃｉｅｏ ｓａ ｐｉ ｔ ｎ ｏ ｕ ｒ ａ ｉ ｌａｉ ｎ ｖｎｉ ｔ ｎ ｏ ｅｓｌｒｃ ｉ ｅ ． ｕ ｔ ａ ｅｓｅｔ ｆ ｔ ｐ ｌ ａｉ ｆｎ ｍｅｉｌ ｓ ｌ ｙｎ ｖ ｉ ｃ ｏ ｃ ｍｕ ｔ ｎ ｏ ｅ ｔａｉ ｔ ｏａ ｈｍｎ ｙ ｏ ｌ ｏ ｆ ｈ
的可持续 发 展在全 球 的可持 续发 展 中有重要 的地
产生 的空气流 动 。而 由室 内外 空气密 度差 引起 的 热压 自然通 风 即所 谓 的“ 囱效 应” 烟 。太 阳能强化
自然通风就是通过建造太阳能烟 囱， 利用太 阳能 来加热房间的排风 ， 提高排风温度和增加热压 ， 增 强室 内通风量 ， 从而达到降低室温的目的。
中图分 类号 ：Ｋ １ Ｔ ５３ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：０９ ２０２０ ）０ ０８ ３ １０ —３３ ｛０６ １ —０ １ 一Ｏ
Ａｐ ｌｃ ｔｏ ｓｏ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉｎ ｏ ｎ ｉ ｔｏ ｆｅ ｔ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｆＮｕ ｒｃ ｌＳ ｍ ｌｔｏ ｎ Ｖｅ ｔｌ ｉ ｎ Ｅｆ ｃ ａ ｏ ｈ ｏａ ｉ ｎ ｙ ｉ ｈ ｓ ａ ｃ ｆｔ ｅ Ｓ ｌ ｒ Ｃｈ ｍ ｅ ｎ ｔ ｅ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ
维普资讯
ｌ ８
应用能源技术
２０ 年第 ｌ 期（ ０６ Ｏ 总第 １６ ） ０期
数值模拟在太阳能烟 囱通风效应研究中的应用
何 云
（ 南师 范 大学太 阳能研 究所 ， 云 昆明 ６０９） ５０２
摘 要： 随着计算技术和计算机技术的飞速发展 ， 数值模拟 已经在工业生产的各个领域中 得到了广泛的应用并在科研和生产 中发挥 着越 来越重要的作用。简要介绍 了数值模拟技术在 太阳能烟 囱通风效应研 究的科学意义、 究现状和应用前景作 了分析总结。 研 关键 词 ： 太阳能烟 囱；自然通风 ； 值模 拟 数
太阳能烟囱发电试验装置内流场的CFD模拟研究
囱体都装有测量装置 ， 以测量内部气流速率和温度 用
等参数 。
大约 ９ ％的太阳可见光穿过透明的集热棚 ， Ｏ 被棚
内地面 吸收 ， 内 被 加热 的地 面 与 棚 内空 气 之 间 的热 棚
圈 ２ 太阳能烟 囱试验装置示意
交 换使集 热棚 内 的空 气 温 度 升 高 ， 受热 空 气 由于 密度
收 稿 日期 ： ２０ — ３ ０ ０５ ０ — ４ 基金 项 目 ： 武汉市青年科技晨光计９（０１０ ５６）２０ 年湖北省 自然科 学基金 （ｏ５ Ｂ ０７ ］２０５００３ １０５ ２ｏＡ Ａ ４） 作者 简 介 ： 周新 平（９３ ）男 ， １８ 一 ， 江西临川 人， 中科技大学环境科学 与工程学院在读博士研究生 ， 方向为环境 流体的数值模拟 。 华 研读
ｃ ＝ ０． ９， ｌ— Ｃ ０ Ｃ ３＝ １ ４４， ２＝ １ ２，＂ ． ｃ ．９ ０ １ ０， ＝ Ｋ ．
ａ
， Ｉ ＋ １， Ｄ ）
（ ） （ ） （譬＋ ｃ ＋ ｎ ＋ ｒ ）。 ２ 蓦 ｒ ． ｓ
式 中 ，为通 用 变 量 ， 别 代 表 “ 、 Ｋ、、 ｎ Ｉ 分 、 Ｗ、 ｅ Ｔ，
模 拟计算 采用 三维 圆 柱坐标 系 。控制 微分 方程 包 括 连 续 性方 程 、 量守 恒方 程 和能量 守恒 方程 。对 于 稳 动
态 可压 缩流 ， 连续 方程 为 ：
（ ） ＋ （ ） ＋ （ 叫 ） ｏ １ Ｄ ＝ （） １
ｌ ～ 誓） Ｐ 触 （ ｋ 一
璃钢 瓦片覆 盖 ， 径 Ｄ＿ １ 周 边 离地 间 隙 高度 Ｈ 直 － ０ｍ，
圈 ｌ 太 阳能 烟 囱发 电试 验 装 置
＝００ 图 ２ 。同 时 ， 烟 囱 的底 部 安 装 了 １个 长 ．４ｍ（ ） 在 约 ０ １ Ｉ ．５Ｉ 的多 叶片 涡 轮 机 。集 热棚 南 北 中截 面和 烟 Ｔ
太阳能烟囱自然通风的数值模拟
第３ 卷第 ３ １ 期
王 晓 冬 等 ： 阳能 烟 囱 自然 通 风 的数 值 模 拟 太
‘ １‘ ７
１２ 物理模型 ．
对 玻 璃板 ：速 度采 用 无 滑移 条 件 （ ｏｓｐ ， Ｎ ． ｉ） 即 ｌ
Ｖ ０ 温 度 Ｔ ０ ＝， ＝。 对 开 口 ：：， ＿， ＝ ， ｌ ０ 也 Ｐｏ ｏ 一 ， ＝Ｔ
物理模型如 图 １ 所示 ： 型为尺寸为 １１ 模 ： 的方腔 ；
的 １１ ） ／０ 。
本文 的研究对象就是 常见 的 Ｔｏ ｅ ｒｍｂ 墙式 的太 阳 能烟 囱的 自然通 风模型 。所采 用的方法是采用商业流
体计算软件 Ｆｕｎ 模拟计算 ， ｌｅｔ 利用无 因次 的参数 ， 中 从
分析得 出一些规 律。
展 开 了广 泛 的研究 ，并应 用在 除通 风 以外 的其他 领
域 。Ａ ｏ ｓ ｎ ｌ ｅ ａ】 ｆｎｏ ｄ ｉ ｉ ［ ａ Ｏ ｖ ｒ 对太 阳能烟 囱和普 通的烟 囱
１ 太 阳能烟 囱自然通风 的数值模拟
１１ 假 设 。
进行 了对 比证 明利 用太 阳能 烟囱 比普通 的烟 囱能 明
显地增加通风量 ， 并且增加太 阳能烟 囱的宽 度要 比增
加高度更有效 。Ｃ ｅ ｔ １ ｈ ｎ］］ ２ 用实验证 明了现在所用 的方 ￣ 法过高地预测 了通风量 ， 因在于假定 了烟 囱 内的温 原
度不变 和同一 高度上 的速度 相等引起 的。Ｂ ｕｈｉｅ ｏ ｃａ ｒｔ
为了简化模型 ， 出以下几点假设 ： 做 １空气为不可压缩气体 ， ） 流动为二维 、 的层流 稳态
ｎ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｌｔｏ ｏ ｎｄｎ ｅｒ ｌｔｏ ｅｗ ｅ ｎ ｈ ｉ ｈ ｎ ｄｈ． ｕ ｒｃ ｌ ｍｕ ａｉ ｎｆ ｒｆ ｉｇｔ ｅａｉ ｎｂ ｔ ｅ ｅｇ ｔａ ｄｗｉ ｔ ｓ ｉ ｈ Ｋ ｅ ｗ ｏｒ ： ｏ ｂ ｌ， ａｕ ａ ｅ ｔｌｔ ｎ ｎ ｙ ｄｓ Ｔｒ ｍ ｅｗａ ｌｎ ｔｒ ｌ ｎ ｉ ｉ ， ｕｍｅ ｉａ ｉ ｕａｉ ｎ ｖ ａｏ ｒｃ ｌ ｍ ｌｔ ｓ ｏ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
50kW太阳能烟囱电站涡轮机的数值模拟
发表时间：2018-12-17T15:33:45.567Z 来源：《防护工程》2018年第23期作者：杨施敏
[导读] 本论文中，建立了50kW太阳能烟囱电站的物理模型，对烟囱和集热棚、蓄热层相接的弧段部分
上海勘测设计研究院有限公司上海 200434
摘要：在本论文中，建立了50kW太阳能烟囱电站的物理模型，对烟囱和集热棚、蓄热层相接的弧段部分，即喇叭管和导流锥部分进行几何设计，改善了整个流场的分布情况。
利用MATLAB编程，获得集热棚和蓄热层的温度分布情况，作为FLUENTF的边界条件，再利用
FLUENT进行数值求解，解收敛后得到涡轮机周围流场分布。
最后对模拟结果进行了验证，证明了设计和模拟方法的合理性。
在已完成设计的烟囱电站数值模拟情况下，针对同一翼型，同一转速，不同叶片数目的涡轮机进行数值模拟，比较不同叶片数目的涡轮机性能，并分析产生这些差异的主要因素，获得最佳叶片数。
关键词：太阳能热气流发电涡轮机数值模拟
一、基本原理
太阳能烟囱热气流动力发电的实际工程技术概念，最早是由两位德国工程师Schlaich和Bergermann于1976年提出的。
根据热压差效应，利用热烟囱中向上抽吸流动的热气流驱动风轮机做功，早在20世纪以前就有这样的设想。
由于现代技术和材料科学的发展，可以实际建造高大的热烟囱，使得太阳能烟囱热气流动力发电在技术上变得可行。
CFD方法是计算流体力学（ComputationalfluidDynamics）的简称，通过计算和图像显示的方法，在时间和空间角度上定量描述流畅的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。
通过这种数值模拟，可以得到极其复杂的问题中流场内不同位置上的基本物理量（如速度、压力、温度等）的分布，以及物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。
二、太阳能热气流发电系统的热力学分析
太阳能热气流（烟囱）发电的基本热力学过程：靠近地面的空气流过集热棚，吸收太阳辐射能变成具有温升和动能的热气流；热气流在涡轮机流道里膨胀做功推动涡轮发电机组发电；不断上升的热气流在烟囱里持续膨胀，然后排到高空环境；排出的空气还有剩余的速度和温度，在大气环境中继续释放能量，再和高空环境相平衡；最后经可逆绝热过程回到地面呈空气状态，这样就完成了整个热力循环。
这是一个复杂的开式热力体系，和常规热力循环系统相比，这个系统与环境之间有大尺度的接触，变化的大气环境和地面环境会对热力循环产生一定的影响，热气流作为系统转换能量的介质，在这个大系统内的流动比较复杂，其流动的状况和热力过程都会影响到太阳能的利用效率。
如图2-1所示是太阳能热气流发电系统的热力过程示意图。
整个环境和系统形成了一个大循环。
为了便于分析，将系统分为集热棚、涡轮机和烟囱三大区域。
分析各个区域的热力学过程时，作如下假定：（1）太阳辐射恒定，且不考虑太阳高度角的变化；（2）大气温度即进入集热棚的空气温度保持恒定；（3）空气集热棚的光学性质保持不变；（4）系统是一个稳定流动过程；（5）分析系统热力过程及热力循环时，将从烟囱出来的工质视为集热棚入口进去的那部分工质，这样既不会影响热力过程的分析结果，也会简化分析过程。
工质在各区域进出口的关键状态点如下：1为集热棚入口状态，2为集热棚出口状态，3为烟囱入口状态，4为烟囱出口状态，5为与烟囱出口相同高度处的外部大气环境状态。
图4-1相同转速下不同叶片数目涡轮机出口的速度分布图
从相同工况下的涡轮机出口的速度分布图来看，4叶片相对5叶片来说，比较适合太阳能热气流发电系统，但也要考虑涡轮机输出轴功率和效率性能，这还需要进一步的实验论证和比较。
五结论与展望
本论文主要完成的是50kW太阳能烟囱电站涡轮机的数值模拟。
首先参照西班牙太阳能热气流发电系统，确定整个太阳能烟囱电站的基本结构，对烟囱和集热棚、蓄热层相接的弧段部分，即喇叭管和导流锥部分进行几何设计，改善了整个流场的分布情况。
利用MATLAB 软件，获得集热棚和蓄热层的温度分布情况，作为FLUENT的边界条件，再利用FLUENT进行数值求解，解收敛后得到涡轮机周围流场分布。
最后对模拟结果进行了验证，证明了设计和模拟方法的合理性。
在已完成设计的烟囱电站数值模拟情况下，针对同一翼型，同一转速，不同叶片数目的涡轮机进行数值模拟，比较不同叶片数目的涡轮机性能，得出结论：在50kW涡轮机的研究中，4叶片和5叶片的涡轮机比较合适。
参考文献：
[1]黄素逸，黄树红，等.太阳能热发电原理及技术[J].中国电力出版社，2012.
[2]张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[J].西北工业大学出版社，2004.3.
[3]范振河.太阳能烟囱发电系统的CFD模拟与优化.山东大学硕士学位论文，2007.
[4]刘鉴民.太阳能热动力发电技术[J].化学工业出版社，2012.9.
[5]赵振宙.风力机原理与应用[J].水利水电出版社第一版,2011
[6]王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用.清华大学出版社,2004
[7]明廷臻，刘伟，许国良等.太阳能热气流电站系统研究.工程热物理学报.2006.27(3):505-507.。