2 MW风电机组机舱内热流场数值模拟

杜丘美，郭 原，刘 健

(重庆大学 航空航天学院， 重庆 400044)

2MW风电机组机舱内热流场数值模拟

杜丘美，郭 原，刘 健

(重庆大学 航空航天学院， 重庆 400044)

大型风力发电机在使用过程中，会在机舱内产生大量的热量，如果没有合理的降温措施，可造成潜在火灾事故的隐患。针对该问题，使用某风电设备公司提供的2 MW风电机组机舱模型数据，利用通用流体力学分析软件，对风电机组机舱进行三维热流场数值模拟，通过控制进、出风口的风速，分析热流场与流场的特点，可为降低机舱内温度的方法提供理论指导。

风电机舱； 数值模拟； 能源； CFD；

作为可再生清洁能源，对风能的开发利用成为我国实施可持续发展能源战略中的重要内容之一，风力发电已经成为目前最适合我国的一种获得能源的方式。风机主要安装于山地、海滨等风力资源丰富的地区，而这些地区通常气候条件相对复杂、交通不便，发生风机机舱火情后，往往无法控制。由于风机造价高昂，一旦发生火灾，极易造成巨大的损失。据英国风能机构的不完全统计，截至2009年，全球共发生风电机组重大事故715起，其中火灾事故138起，占总数的19.3%，位列第2[1]。因此，火灾已成为重大的毁机灾害。通过研究风电机组机舱内热流场，可以为风电机组的优化设计和安全运行提供重要的理论基础[2-3]。

风力发电机机舱内部发热的主要部件是齿轮箱和发电机，相较与风机机舱内部发热部件的研究，针对整个风机机舱内热流场的分析目前并不多见[4-5]，已有文献以汽车发动机机舱的流场分析居多。本文采用商业软件Solid works建模，再利用CFD商业软件Fluent，对某风电设备公司提供的风电机组机舱进行三维热流场数值模拟，通过两种模型和多种不同风速工况对比，研究分析内部流动现象及散热情况，为风力发电机机舱的进一步改进与优化设计提供理论依据。

1 数值模拟

1.1 计算模型与网格划分

本文采用Solid Works建模，根据实际尺寸建立几何模型。图1为风机部分几何模型。将建好的主轴、齿轮箱、发电机、变频器以及箱体等部分装配成一体，得到风电机组的几何模型，如图2所示。

图1 主轴、齿轮箱、发电机及变频器的几何模型

图2 风电机组的几何模型三视图

在实际计算过程中，为提升计算效率，在不影响风场或对风场影响很小的基础上，去除部件的倒角、螺帽等不规则小组件。网格采用ICEM CFD进行划分，如图3所示。网格划分时使用Tetra/Mixed网格类型，它是一种应用广泛的非结构网格类型。使用八叉树方法生成四面体网格，这是一种自上而下的网格生成方法。网格划分共含有188 051个单元、31 839个节点。

1.2 边界条件

建立的风力发电机舱模型共有4个入风口和4个出风口。其中：入风口的边界条件设置为速度入口； 机舱底部有大小不同的2个入风口； 塔架入风口位于机舱与塔架连接处； 发电机为单独的风道，有1个入风口； 4个入风口的风速分6种不同工况，见表1。其余2个出风口(齿轮箱、发电机出风口)边界条件设置为压力出口边界，在速度选项选择速度方向垂直于边界，速度值大小为 4 m/s； 湍流选项均为默认值，湍流强度为5%，湍流黏度比为10。以上所有入风口的温度均与外部环境温度相同，大小为313.15 K(40 ℃)。

图3 6种工况下风机齿轮箱温度分布情况

除上述入风口、出风口外，其余部件边界条件均设置为wall(壁面)，各种部件的发热量如表2所示。

表1 6种工况对应进、出口风速大小

表2 各部件发热量设置

1.3 参数定义

选用钢作为风机部件及箱体的材料，其参数如表2所示。计算时利用商用软件Fluent进行数值模拟[6-9],采用Standardk-ε模型，使用标准壁面函数。热量的传递方式主要以热对流为主，同时假定气流是稳定、黏性、不可压缩流体。计算时的时间步长为自适应，时间步数为10 000步，每步迭代10次。

2 计算结果及分析

本文采用控制入风口和出风口风速条件对风机机舱的热稳态进行分析，观察机舱在不同进、出风口风速下的发热情况。在研究齿轮箱、发电机以及变频器的热量产生情况时，截取这3个部件的一个发热量较大的具有代表性的横截面来研究，图3、4为温度分布云图。将模拟后的数据整理成表格，见表3。

表3 风机部件及箱体的材料参数

图4 6种工况下风机发电机体和变频器体温度分布情况

进风口风速/(m·s-1)0246810发电机体内部温度/K329．85329．86322．48316．47315．86315变频器体内部温度/K320．52320．16317．52314．66314．36313．95齿轮箱体内部温度/K329．85329．86322．48316．47315．86315

结合温度云图和表格数据可以看出：在进、出风口风速都为0的情况下，发电机、变频器、齿轮箱内部的温度都是非常高的，最高可达329.85 K(56.7℃)。因为发电机体和齿轮箱体的发热量设定值相差不大，导致其温度也基本一致。温度场在计算域内的分布仍然不均匀，仅仅在发热体周围产生温度变化，而在其他区域仍然维持着初始温度。

这种情况发生的原因主要是由于空气的导热系数太低，发热体的热量不能很快地扩散到空气中，导致发热体周围聚集着大量的热量。在进风口风速提升到2 m/s、出风口风速为12 m/s时，3个部件内部的温度变化不大，当风速再提高的时候，3个部位的温度降低的幅度比较明显，当风速大于6 m/s时趋于稳定。

图5为机舱进风口风速为6 m/s、出风口风速为16 m/s时的速度矢量图。再截取一个截面，在此截面可以观测到进、出风口风速，图6为其速度分布云图。由图5的速度矢量图可以看出：在进、出风口附近速度很大，但是几个发热量大的部件周围风速很小。图6中截面的速度分布云图也同样说明了这一点。

图5 进风口风速为6 m/s时机舱内部速度矢量图

图6 进风口风速为6 m/s时机舱内部主要进出风口处截面的速度分布云图

3 结束语

导致风电机组机舱内部温差过大、热量无法排放的根本原因是机舱内部空气流动不充分、内外部气体交流不充分。因此，加强机舱内部空气流动、推动内外部气体交流是改善风电机组机舱热流场的有效办法。此外，还可以考虑水冷、油冷，以及安装空调系统等方法来对机舱散热进行改进。

[1] 王清照,王明军,朱彬.风电机组重大事故分析(一)[J].风能,2014(6):60-63.

[2] 杜鹏.基于ANSYS的风机机舱内部温度分布模拟研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学，2014.

[3] 马铁强,孙德滨,苏阳阳.风力发电机组机舱内部气流组织优化方法研究[J].重型机械,2017,(1):29-34.

[4] 张耀华,唐胜利,李隆键.风力发电机三维流场数值仿真[J].计算机仿真,2014,31(1):132-135.

[5] 丁欣硕，焦楠.FLUENT 14.5:流体仿真计算—从入门到精通[M].北京:清华大学出版社，2014.

[6] ANDERSON J D.Computation Fluid Dynamics[M].Beijing:China Machine Press,2007.

[7] 李志印，熊小辉，吴家鸣.计算流体力学常用数值解法简介[J].广东造船,2004,3:5-8.

[8] 张建文,杨振亚,张政.流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用[M].北京:化学工业出版社,2009.

[9] 丁欣硕，焦楠.FLUENT 14.5:流体仿真计算—从入门到精通[M].北京:清华大学出版社，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

横向基金资助项目“2MW风电机组机舱内热流场分析”(1042012920150110)

杜丘美(1995—)，女，硕士研究生，主要从事计算流体方面的研究工作，E-mail：dqmz12345@126.com。

杜丘美，郭原，刘健.2 MW风电机组机舱内热流场数值模拟[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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

(责任编辑陈 艳)