1、第第 44 卷卷 第第 1 期期 2023 年年 2 月月Vol.44 No.1Feb.2023发电技术发电技术Power Generation Technology基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合数值模拟方法吴荣辉1，刘冬2，郁冶3，牟凯龙4，赵兰浩4*（1.浙江省新能源投资集团股份有限公司，浙江省 杭州市 310016；2.浙江浙能国电投嵊泗海上风力发电有限公司，浙江省 舟山市 316000；3.国家电投集团浙江新能源有限公司，浙江省 杭州市 310016；4.河海大学水利水电学院，江苏省 南京市 210098）Two-Way Fluid-Structure Interaction N
2、umerical Simulation Method for Offshore Wind Power Based on Immersed Boundary MethodWU Ronghui1,LIU Dong2,YU Ye3,MU Kailong4,ZHAO Lanhao4*(1.Zhejiang Provincial New Energy Investment Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310016,Zhejiang Province,China;2.Zhejiang Zheneng Guodiantou Shengsi Offshore Wind Power Gene
3、ration Co.,Ltd.,Zhoushan 316000,Zhejiang Province,China;3.State Power Investment Group Zhejiang New Energy Co.,Ltd.,Hangzhou 310016,Zhejiang Province,China;4.College of Water Conservancy and Hydropower,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu Province,China)摘要摘要：为研究海上风电机组在运行过程中的流场特性及流固耦合动力响应，引入海上风电机组
4、整机系统一体化分析理念，提出基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合运行过程模拟方法。其中，采用浸入边界法模拟了风机旋转引起的静动干涉问题，基于交错迭代法构建了适用于风电机组“风机-塔架-基础”一体化研究的双向流固耦合数值模拟方法。该方法能够真实反映海上风电机组的流固耦合效应，准确求解其动力响应。所采用的浸入边界法无需更新网格运动，能够高效求解风电机组叶片旋转引起的静动干涉问题。最后，将该方法应用于工程实践，模拟了某海上风电工程双向流固耦合运行全过程。关键词关键词：海上风电；双向流固耦合；浸入边界法；数值模拟ABSTRACT:In order to study the flow field cha
5、racteristics and dynamic fluid-structure interaction response of offshore wind turbine during operation process,the concept of integrated analysis of offshore wind power project was introduced and the simulation method for the integrated fluid-structure interaction operation process of offshore wind
6、 power was established based on the immersed boundary method.The stator-rotor interaction caused by the rotation of the fan was simulated by the immersed boundary method.With the alternating iteration method,a two-way fluid-structure interaction numerical method for the integrated research of offsho
7、re wind turbines“fan-tower-foundation”was presented.With the proposed method,the fluid-solid interaction effect of offshore wind turbine can be truly reflected and its dynamic response can be accurately solved.The immersed boundary method can effectively solve the stator-rotor interaction caused by
8、fan rotation without updating the grid motion.Finally,the integrated fluid-structure interaction operation process of an offshore wind power project was simulated.KEY WORDS:offshore wind power;two-way fluid-structure interaction;immersed boundary method;numerical simulation0引言引言能源危机与环境问题在当代社会发展过程中愈来
9、愈突出。风能作为最具发展潜力和应用前景的清洁、可再生的新能源，近年来引起了全球的广泛关注，利用风力发电逐渐成为新能源开发的重点研究对象1-4。相比于陆上风电场，海上风电场具有风能资源丰富、空间大等显著优势5-7。随着“3060目标”的提出，海上风电将在可再生能源发电领域中占据更加重要的地位。DOI：10.12096/j.2096-4528.pgt.22015 中图分类号：TK 83基金项目：国家自然科学基金项目(52009034)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(52009034).第第 44
10、卷卷 第第 1 期期发电技术发电技术在我国海上风电工程设计实践中，一般采用分布迭代设计方法8，机组和基础的设计通常由整机供应商及设计院分别承担，针对各自负责的结构进行迭代设计。由于双方责任主体分离，可能出现结构设计重量偏大、设计载荷过于保守等问题，也未考虑多荷载耦合作用，无法对真实运行条件下的海上风电机组整机系统进行合理的安全评价。国外海上风电行业起步较早，设计理念相对先进，业界广泛运用的风机仿真运行软件主要有FAST和Bladed两款软件。二者均是将叶片视为刚性体，采用叶素动量理论9进行风机叶片气动力性能分析。但海上风电呈现大型化发展趋势，随着风电机组容量以及尺寸的增大，常规的叶片刚性体假设
11、所引起的气动计算及结构计算误差越来越大，因此必须考虑风载条件下结构流固耦合效应的影响。目前，关于风电机组流固耦合效应的研究成果主要是针对风机叶片部分，采用计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)进行叶片气动力性能分析。国外研究成果相对较多，Wiegard等10研发了一款流固耦合求解器，采用CFD和有限元法(finite element method，FEM)分析了风电机组的运动及结构响应；Santo等11采用壳单元模拟叶片，研究了复合材料叶片的流固耦合响应规律；Dose等12采用OpenFOAM研究了叶片变形对风电机组气动性能的影响；Ageze 等13模
12、拟了 NREL 5 MW风力机的运行过程，研究了单向流固耦合和双向流固耦合条件下风机结构动力响应的区别。国内关于风电机组流固耦合效应的研究虽然起步较晚，但也取得了一些成果。喻涛涛等14采用Ansys Workbench平台研究了叶片变形对风电机组输出功率的影响；李媛等15采用商用CFD、计算结构动力学(computational structural dynamics，CSD)软件，模拟了考虑风切变时额定风速作用下的风电机组全三维流固耦合运行过程，分析了风剪切对结构响应和流场分布的影响规律；胡丹梅等16采 用 FLUENT 软 件 和 ANSYS 软 件 中 的Transient模块对风电机组
13、叶片进行了流固耦合计算分析，结果发现，叶片流固耦合作用使叶片气动攻角、扭矩增大。目前，国内对于风电机组流固耦合的研究基本上都是采用商业软件完成的，并且未考虑塔架和基础的结构响应对风机运行过程的影响。在分析风电机组气动力性能时，如何处理流场中风电机组叶片旋转引起的静动干涉问题是模拟风电机组运行过程流场变化的一大难题。对于静动干涉问题，一般将计算域划分为静止域与旋转域，采用多重参考系法或者滑移网格法求解。但多重参考系法网格保持静止，通过坐标系转动实现旋转运动，本质上是一种定常算法，与实际现象不符。而滑移网格法尽管能通过网格转动真实描述风机旋转运动对流场的影响，但每个时间步必须重新构建非协调面之间的
14、插值关系，更新网格拓扑关系以及系数矩阵，计算效率较低。本文采用浸入边界法来处理这一问题。浸入边界法采用笛卡尔网格离散流场，通过在控制方程中引入额外的体力项来解析流场的边界作用，网格无需运动，能高效处理包含移动边界的流动问题。基于浸入边界法，本文提出了一种同时考虑风机塔架基础的海上风电一体化流固耦合运行全过程数值模拟方法。以有限元法为基本框架，在各静止与旋转部间引入交互界面，采用浸入边界法模拟流场中风电机组叶片旋转的静动干扰，基于交错迭代法构建风电机组与流体相互作用的流固耦合力学模型，建立适用于风电机组“风机塔架基础”一体化研究的双向流固耦合数值模拟方案。最后，将该方法应用于某海上风电工程，模拟
15、了其整个运行过程。1数值方法数值方法1.1浸入边界法浸入边界法本文采用浸入边界法来处理叶片旋转引起的静动干涉问题。流场控制方程为N-S方程，包括连续性方程和动量方程：u=0(1)ut+(uu)=1-1p+fb+f(2)式中：u为速度；t为时间；为密度；为黏性应力张量；p为压力；fb为体力项；f为附加体力项。其中，附加体力项采用一种能够同时满足连续性45Vol.44 No.1吴荣辉等吴荣辉等：基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合数值模拟方法基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合数值模拟方法方程和无滑边界条件的隐式迭代格式求解17。根 据 特 征 线 分 裂(characteristic-based
16、 split，CBS)算法18将式(2)沿特征线展开：u=-t(uu)-+1pn+1-fb+t22u(uu)+1pn+1-fb+fn+1t(3)式中n为时间步。为方便表示，引入如下4个变量：Kn=-t(uu)-+t22u(uu)(4)Rn+1=-t(1pn+1-fb)+t22u(1pn+1-fb)(5)u*=Kn+fn+1t(6)u*=Rn+1(7)背景网格与浸入边界点之前的信息传递通过插值算子I(x)和分布算子D(Xi)完成。其中，插值函数与文献19中的一致，(x)表示定义在笛卡尔网格节点x上的物理量，(Xi)表示定义在浸入边界点Xi上的物理量。根据浸入边界点上的无滑边界条件Vn+1=Un+1，可得I(fn+1t)=Vn+1-I(un+Kn+Rn+1)(8)在式(8)两端施加分布算子，可得背景网格节点上的附加体力项为fn+1t=DVn+1-I(un+Kn+Rn+1)(9)包含浸入边界点的 N-S 方程迭代求解格式如下。1）计算中间速度场。un*K=un+Kn(10)2）令k=1，根据式(10)计算附加体力项。取初值fn+1k0=0，u*0=Rn，i=1，则循环迭代式如下：fn+1ki