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    开题报告PPT-10KW小型风力机整机流固耦合分析.ppt

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    开题报告PPT-10KW小型风力机整机流固耦合分析.ppt

    10KW小型风力机整机流固耦合分析,,内容提要,一研究背景及意义 二国内外的研究现状 三研究的内容及目标 四研究技术路线 五关键问题与难点问题 六研究进程及计划,10KW小型风力机整机流固耦合分析,能源枯竭,新能源,风力发电,美好前景,,随着工业的不断发展,煤、石油、天然气等不可再生能源将日渐枯竭,能源问题迫切需要解决。,,随着能源问题的日渐严重,寻找新能源成为了各国发展的一个新课题。,,风能作为一种清洁的可再生能源,在世界受到广泛关注,而风力发电作为风能的主要应用也飞速发展。,,风力发电的飞 速发展将为世 界能源带来新 的希望,风能 也将逐步成为 人类利用的主 要能源之一, 因此风力发电 具有美好前景,一、研究背景及意义,,一、研究背景及意义,课题研究背景及意义,国内外研究现状,研究内容与技术路线,课题研究任务与进展情况,4,1,2,3,,报告的主要内容,,,,小型风力发电机,流固耦合分析,,流固耦合动力学,重要特征,变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动, 而变形或运动又反过来影响流场, 从而改变流体载荷的分布和大小.,,,课题的研究意义,我国风力发电技术起步较晚,主要技术都需要从国外引进,一些关键部件也需依靠进口,我国小型风力发电机组仍存在许多问题。第一,整机的可靠性较低,第二,整机的设计和制造成本相对较高;第三,机组运行不平稳,机组的风能风能利用系数偏低。,它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者交互作用的一门科学.,,国内外研究现状,全球风电累计装机前十名的国家,全球风电新增装机前十名的国家,,小型风力发电现状,我国小型风力发电还未列入国家新能源发展规划,政策支持还不够,国内风电都以MW级风机为主流,对大型风机的研究也日趋成熟,但对小型风力发电机的技术研究并不多见。 另外国内目前小型风力发电机中主要仍以5KW以下机型为主,多为百瓦级风机,小功率风机已难以满足生活生产的需求,因此,发展5KW以上的风机具有较大的实用价值。 因此,本文基于湘电微特电机公司10KW风力发电机项目,对10KW风力发电机进行研究。,,小型风力发电现状,,流固耦合应用研究,流固耦合问题可以由其耦合方程来定义,这组方程的定义域同时有流体域和固体域,而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量,一般而言,具有以下两点特征 a流体域或固体域均不可能单独地求解; b无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量. 流固耦合问题按其耦合机理的分类,,流固耦合典型应用,,其他,航空、航天、水利、建筑、石油、化工、海洋及生物等领域的各种工况,,,输流管道,在管道内流体流动状态的微弱变化往往引起在工作过程中的湍振现象,诱发流体、管道之间的耦合振动,动力学行为相当复杂。,,,地下储层,液体油或水、气体天然气、煤矿瓦斯等与多孔介质的相互作用力的问题.,,,含液容器,对含液容器的动力特性进行分析,是为了了解容器内流体的晃动特性以及流体对容器固有特性的影响,以便为进一步研究含液容器的动力响应和动力稳定性奠定基础。,,研究内容及技术路线,,,,,,,,,,,,,,,,,,,研究现状及意义,结构介绍和设计,动力学方程及理论,单、双向流固耦合分析,总结与展望,,,,,,,,,,,,,,,一,二,三,四,五,,,,10KW小型风力机整机结构设计,确定整机的结构及尺寸,风力机整机在Ansysworkbench软件中的网格模型建立与参数设置,特定风场中的整机的静态结构分析和振动情况分析,,通过上述的内容研究,本课题可以得出在特定风场中流动气体对风力机整机结构的影响以及整机结构变形后对风场的反馈.,研究结果,,研究内容,水平轴风电机,垂直轴风电机,,风力发电机分类,,水平风力发电机结构,,风力发电机结构设计,机组功率 10KW 额定风速 8.5m/s 极限风速 42.5m/s 切入风速 3.2m/s 切出风速 25m/s 叶片数 3 叶尖速比 8 风轮直径 10m 风轮转速范围 1221.5r/min 风轮布置 上风向 塔架高度 16m,,总体设计,,课题研究的技术路线,,风力发电机是目前能很好地利用风能的装置,而风力发电机是由各种不同的零部件组装起来的,其整机性能好坏直接影响运行的效率和稳定性。为了能使其很好地工作,必须研究其在风场运行中的应力应变情况,以满足其长期运转的工作条件。 风机整机进行流固耦合分析的流程图如下图示,,双向流固耦合的基本方式,双向流固耦合的基本思路是分别计算流场和固体结构,然后通过中间平台交换耦合量。每次大迭代中,分别进行一次流体计算和固体计算,并交换2次数据每个方向各一次,直到最终收敛。这种通过交换耦合边界的耦合量实现的双向耦合称为松耦合方式即非耦合方程方式求解 。 CFX是集成于ANSYS中的流体计算软件,虽然功能较fluent差,但是目前只有CFX可以不借助第三方软件与ANSYS实现双向流固耦合的计算。实现耦合的通讯软件为MFXmulti-field solver 。 基本思路 形成2套网格和边界,其中包含了特殊定义的耦合边界和状态、参数,耦合软件将通过定义的耦合边界来传递耦合参数,并指挥流体、固体求解器计算,依次实现双向耦合分析。因为耦合参数是通过插值传递的,所以耦合边界上不要求网格的连续性。,Ansysworkbench单向流固耦合界面,Ansysworkbench双向流固耦合界面,,,,,研究风场和整机变形之间的互相作用关系.,研究风场的变化对整机应力应变的影响.,在Ansys workbench软件中建立流体域和固体域的网格模型.,建立流固耦合动力学的方程.,网格模型,单向流固耦合分析,动力学方程,,后续工作,10KW小型风力机整机流固耦合分析,,后续工作安排,双向流固耦合分析,,参考文献,[1] 李俊峰,施鹏飞,高虎.中国风电发展报告2010[M].海口海南出版社,2010 [2] 全球风能理事会.全球风电发展展望2010,2010 [3] Global Wind Energy Council.GLOBAL WIND 2009 REPORT[R].2010.3 [4] 李志青.低碳发展催生可再生能源新法[N].中国能源报,2010,3-31. [5] 黎发贵,郭太英.风力发电在中国电力可持续发展中的作用[J].第三届亚洲风能大会暨国际风能设备展览会论文集.2006627-36 [6] 贺德馨.风能技术发展中的几个问题.世界科技研究与现状.2003,844-48 [7] 熊锦民.我国风力发电产业发展现况及展望[J] .科技创新导报,2008,06132-133 [8]张晨晨.兆瓦级风力发电机组的动力学分析[D].沈阳沈阳工业大学.200714-16 [9]单光坤,王晓东,姚兴佳,张晨晨.兆瓦级风力发电机组的稳定性分析[J].太阳能学报,2008,297786-791 [10]周传月,郑红霞等.MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例[M].北京科学出版社,2005 [11]李兴国.风电机组系统分析关键技术研究及应用[D].重庆大学,,10KW小型风力机整机流固耦合分析,,参考文献,[12]魏永涛,刘力菱Philippe H.Geublle.流固耦合问题的ALE有限元分析[J].核动力工程,2009,30(5)79-83. [13] 岳宝增,刘延柱,王照林.非线性流固耦合问题的ALE分步有限元数值方法[J].力学季刊,2001,22134-39 [14] 刑景棠,周盛,崔尓杰.流固耦合力学概述[J].力学进展,1997,27119-38 [15]郭述义,陈举华.流固耦合应用研究进展[J].济南大学学报.2004, 182123-126 [16]陈海萍,孙文磊,郭健.风力发电机叶片的流固耦合分析[J].机床与液压,2010,381979-82 [17]宋学官,蔡林,张华.ANSYS流固耦合分析与工程实例[M].北京中国水利水电出版社,2012 2008 [18]张阿漫,戴绍仕.流固耦合动力学[M].北京国防工业出版社,2011,10KW小型风力机整机流固耦合分析,,参考文献,[19] Jurezko M,Pawlak M.Optimisation of wind turbine blades[J].Journal of Materials Processing Technology.20056 [20] Anders Ahlstrm.Emergency Stop Simulation Using a Finite Element Model Developed for Large Blade Deflections.Wind Energy.2006,93193210 [21] Suresh Kumar K,Stathopoulos T.Computer simulation of fluctuating wind pressures on low building roofs[J].Wind EngInd Aerodyne,1997,69-71485-495. [22] Kitagawa T,Nomura T.A wavelet-based method to generate artificial wind fluctuation data[J].Wind EngInd Aerodyn,2003,91943-964 [23] Minh NN,Miyata T,Yamada H,Sanada Y.Numberical simulation of wind turbulence and buffeting analysis of long-span bridges[J].Wind Eng Ind Aerodyn,1999,83301-315. [24] Riccardo Rossi,Massimiliano Lazzari,Renato Vitaliani.Wind field simulation for structuralengineering purposes[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,2004,61738-763.,湘潭大学机械工程学院,谢谢 恳请各位老师提出宝贵意见,

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