8 王伟拓-电气风电-大涡模拟在复杂地形应用中的关键技术挑战与解决方案.pdf

1、CHINA WINDPOWER 20242024北京国际风能大会大涡模拟（LES）在复杂地形应用中的关键技术挑战与解决方案王伟拓 博士上海电气风电集团2024年10月Content目录风资源评估技术革新背景Part 1推进LES技术应用的关键问题Part 2技术挑战与解决方案Part 3总结Part 41.1巨型风机设计理论的新发展趋势 在风机大型化发展趋势下，出现诸多新问题，设计技术接近现有理论边缘 巨型风机的质量、安全性、经济型离不开设计理论的革新现有材料性能达到极限大型风机的结构动力学问题非常态风下的安全问题风机大型化发展趋势多学科领域耦合线性假设的部分失效不确定性评估的部分失效巨型风机

2、设计理论的新挑战单机容量增加叶轮直径增加轮毂高度增加大兆瓦风机面临的问题叶轮直径的发展趋势叶片的非线性气弹颤振风-波浪-结构耦合设计1.2风电行业中的大涡模拟 计算流体力学CFD仿真技术顺应风机设计需求，可以提供更为丰富、准确的风场、气动力数据。大涡模拟LES作为CFD中技术代表，已在风电学术研究的多个课题中得到了应用。风机气动设计方法比较LES在风电研究中的应用海上风电场布置研究漂浮式风机波浪-风耦合研究气动设计方法准确性1.3风资源评估的技术革新 风资源评估是风机设计的第一步，数据的精确性、丰富性直接关系到后续风机、塔架设计的精细化程度。目前风资源评估技术中仅能提供较为可靠统计性的结果，难

3、以提供载荷所需的时程结果。推广LES技术可以打通风资源评估和载荷设计间的降阶-升阶模型。风资源评估载荷设计塔架设计时序性输入统计性输出时序性结果统计性输出结构设计时序性结果风力风风力力数据降阶升阶降阶轮毂中心的平均风速、湍流度等疲劳荷载、极限荷载等技术革新前时序性输入风时序性结果风LES技术革新测风塔风轮面技术革新后力2.1推进LES技术应用的要求 推进LES应用可以获得更为精细准确的风场结果，但对输入数据、计算资源、理论模型的要求更高LES网格数量更多，雷诺数依赖性强LES计算步数更多，非稳态计算LES对网格质量要求更高非定常流动的风速时程结果对流动分离的精确仿真湍流模型的经验性很弱粗糙度模

4、型更为精细模型参数的选取更科学对来流数据的要求更高对时间、空间离散格式更敏感需要更丰富的可靠数据输入需要更多的计算资源需要更精细的理论模型提供更精细的、准确的风场结果湍流成分的比较单点风速时程的比较2.2推进LES技术应用的关键难点 从RANS向更前沿的LES技术发展中，现有评估流程需要进行技术革新。关键技术革新包括：时序入口边界条件，高质量网格生成方法，精细的粗糙度模型更新来流边界生成方法优化网格生成方法更新粗糙度模型=0时间平均后的来流平均风速剖面=ln(+00)湍动能剖面=()21ln(+00)+2耗散率剖面=()3(+0)1ln(+00)+2RANS LES来流边界条件差异RANSLE

5、S统计时序边界层网格的细化网格质量问题=|=|=0引入新参数考虑植物类型、高度影响不同的植被类型RANSLES大涡模拟LES网格特点3.1 挑战1：高质量复杂地形网格网格数量&质量LES近壁面处的边界层网格近壁面分离流动产生涡的尺度较小LES在边界层需更小、更高质量的网格边界层网格数量占比较高 LES准确模拟边界层分离流动，需要划分尺度小、质量高的近壁面网格，大大增加了网格数量 网格质量、数量 影响 LES仿真的结果准确性、求解稳定性、计算效率LES仿真原理网格类型网格数量网格质量生成难度六面体少高难四面体多中等易多面体中等低易网格类型不同网格类型对数量和质量的影响3.1 挑战1：高质量复杂地

6、形网格参数控制的自动化生成混合型网格应对复杂地形的强鲁棒性近地面边界层网格的控制与优化网格质量的阈值控制网格生成程序应具有的特点以六面体为主的混合网格（双山脊）需要参数化、自动化、可控制性、鲁棒性强的网格生成程序。自主研发的网格生成软件通过体网格和边界层网格的融合，来保证边界层网格的生成和质量开源网格生成程序:snappyHexMesh电气风电自主研发程序填充切分castellated壁面贴合snap塞入边界层addlayer对边界层网格的控制较弱应对复杂地形，边界层网格无法全部生成增强对边界层的控制，保证边界层网