2 MW風電機組機艙內熱流場數值模擬

杜丘美，郭 原，劉 健

(重慶大學 航空航天學院， 重慶 400044)

2MW風電機組機艙內熱流場數值模擬

杜丘美，郭 原，劉 健

(重慶大學 航空航天學院， 重慶 400044)

大型風力發電機在使用過程中，會在機艙內產生大量的熱量，如果沒有合理的降溫措施，可造成潛在火災事故的隱患。針對該問題，使用某風電設備公司提供的2 MW風電機組機艙模型數據，利用通用流體力學分析軟件，對風電機組機艙進行三維熱流場數值模擬，通過控制進、出風口的風速，分析熱流場與流場的特點，可為降低機艙內溫度的方法提供理論指導。

風電機艙； 數值模擬； 能源； CFD；

作為可再生清潔能源，對風能的開發利用成為我國實施可持續發展能源戰略中的重要內容之一，風力發電已經成為目前最適合我國的一種獲得能源的方式。風機主要安裝于山地、海濱等風力資源豐富的地區，而這些地區通常氣候條件相對復雜、交通不便，發生風機機艙火情后，往往無法控制。由于風機造價高昂，一旦發生火災，極易造成巨大的損失。據英國風能機構的不完全統計，截至2009年，全球共發生風電機組重大事故715起，其中火災事故138起，占總數的19.3%，位列第2[1]。因此，火災已成為重大的毀機災害。通過研究風電機組機艙內熱流場，可以為風電機組的優化設計和安全運行提供重要的理論基礎[2-3]。

風力發電機機艙內部發熱的主要部件是齒輪箱和發電機，相較與風機機艙內部發熱部件的研究，針對整個風機機艙內熱流場的分析目前并不多見[4-5]，已有文獻以汽車發動機機艙的流場分析居多。本文采用商業軟件Solid works建模，再利用CFD商業軟件Fluent，對某風電設備公司提供的風電機組機艙進行三維熱流場數值模擬，通過兩種模型和多種不同風速工況對比，研究分析內部流動現象及散熱情況，為風力發電機機艙的進一步改進與優化設計提供理論依據。

1 數值模擬

1.1 計算模型與網格劃分

本文采用Solid Works建模，根據實際尺寸建立幾何模型。圖1為風機部分幾何模型。將建好的主軸、齒輪箱、發電機、變頻器以及箱體等部分裝配成一體，得到風電機組的幾何模型，如圖2所示。

圖1 主軸、齒輪箱、發電機及變頻器的幾何模型

圖2 風電機組的幾何模型三視圖

在實際計算過程中，為提升計算效率，在不影響風場或對風場影響很小的基礎上，去除部件的倒角、螺帽等不規則小組件。網格采用ICEM CFD進行劃分，如圖3所示。網格劃分時使用Tetra/Mixed網格類型，它是一種應用廣泛的非結構網格類型。使用八叉樹方法生成四面體網格，這是一種自上而下的網格生成方法。網格劃分共含有188 051個單元、31 839個節點。

1.2 邊界條件

建立的風力發電機艙模型共有4個入風口和4個出風口。其中：入風口的邊界條件設置為速度入口； 機艙底部有大小不同的2個入風口； 塔架入風口位于機艙與塔架連接處； 發電機為單獨的風道，有1個入風口； 4個入風口的風速分6種不同工況，見表1。其余2個出風口(齒輪箱、發電機出風口)邊界條件設置為壓力出口邊界，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； 湍流選項均為默認值，湍流強度為5%，湍流黏度比為10。以上所有入風口的溫度均與外部環境溫度相同，大小為313.15 K(40 ℃)。

圖3 6種工況下風機齒輪箱溫度分布情況

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

表1 6種工況對應進、出口風速大小

表2 各部件發熱量設置

1.3 參數定義

選用鋼作為風機部件及箱體的材料，其參數如表2所示。計算時利用商用軟件Fluent進行數值模擬[6-9],采用Standardk-ε模型，使用標準壁面函數。熱量的傳遞方式主要以熱對流為主，同時假定氣流是穩定、黏性、不可壓縮流體。計算時的時間步長為自適應，時間步數為10 000步，每步迭代10次。

2 計算結果及分析

本文采用控制入風口和出風口風速條件對風機機艙的熱穩態進行分析，觀察機艙在不同進、出風口風速下的發熱情況。在研究齒輪箱、發電機以及變頻器的熱量產生情況時，截取這3個部件的一個發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。將模擬后的數據整理成表格，見表3。

表3 風機部件及箱體的材料參數

圖4 6種工況下風機發電機體和變頻器體溫度分布情況

進風口風速/(m·s-1)0246810發電機體內部溫度/K329．85329．86322．48316．47315．86315變頻器體內部溫度/K320．52320．16317．52314．66314．36313．95齒輪箱體內部溫度/K329．85329．86322．48316．47315．86315

結合溫度云圖和表格數據可以看出：在進、出風口風速都為0的情況下，發電機、變頻器、齒輪箱內部的溫度都是非常高的，最高可達329.85 K(56.7℃)。因為發電機體和齒輪箱體的發熱量設定值相差不大，導致其溫度也基本一致。溫度場在計算域內的分布仍然不均勻，僅僅在發熱體周圍產生溫度變化，而在其他區域仍然維持著初始溫度。

這種情況發生的原因主要是由于空氣的導熱系數太低，發熱體的熱量不能很快地擴散到空氣中，導致發熱體周圍聚集著大量的熱量。在進風口風速提升到2 m/s、出風口風速為12 m/s時，3個部件內部的溫度變化不大，當風速再提高的時候，3個部位的溫度降低的幅度比較明顯，當風速大于6 m/s時趨于穩定。

圖5為機艙進風口風速為6 m/s、出風口風速為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、出風口風速，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、出風口附近速度很大，但是幾個發熱量大的部件周圍風速很小。圖6中截面的速度分布云圖也同樣說明了這一點。

圖5 進風口風速為6 m/s時機艙內部速度矢量圖

圖6 進風口風速為6 m/s時機艙內部主要進出風口處截面的速度分布云圖

3 結束語

導致風電機組機艙內部溫差過大、熱量無法排放的根本原因是機艙內部空氣流動不充分、內外部氣體交流不充分。因此，加強機艙內部空氣流動、推動內外部氣體交流是改善風電機組機艙熱流場的有效辦法。此外，還可以考慮水冷、油冷，以及安裝空調系統等方法來對機艙散熱進行改進。

[1] 王清照,王明軍,朱彬.風電機組重大事故分析(一)[J].風能,2014(6):60-63.

[2] 杜鵬.基于ANSYS的風機機艙內部溫度分布模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學，2014.

[3] 馬鐵強,孫德濱,蘇陽陽.風力發電機組機艙內部氣流組織優化方法研究[J].重型機械,2017,(1):29-34.

[4] 張耀華,唐勝利,李隆鍵.風力發電機三維流場數值仿真[J].計算機仿真,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.計算流體力學常用數值解法簡介[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值模擬基礎與應用[M].北京:化學工業出版社,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風電機組機艙內熱流場分析”(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風電機組機艙內熱流場數值模擬[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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

(責任編輯陳 艷)