(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111518978.3 (22)申请日 2021.12.13 (71)申请人 中国科学院深圳先进技 术研究院 地址 518055 广东省深圳市南 山区深圳大 学城学苑大道1068号 (72)发明人 赵运业　陈荣亮　陈平良　 (74)专利代理 机构 北京市诚辉律师事务所 11430 代理人 刘婷　成丹 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/06(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数 值模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种多旋翼垂直风能发电机 空气动力学数值模拟方法， 步骤一： 建立用来计 算的计算区域的几何形状文件； 步骤二： 对旋转 区域和非旋转区域进行分割， 并建立几何形状文 件； 步骤三： 对整个计算区域进行网格生成， 步骤 四： 建立流体控制方程和边界条件； 步骤五： 在求 解步骤四的控制方程时需要引入对应的湍流模 型方程； 步骤六： 在采用有限体积法对原模型离 散后进行插值； 步骤七： 对求解区域进行分解； 步 骤八： 对每个核上的矩阵采用对应矩阵求解方法 求解。 本发明与现有技术相比的优点在于： 保证 了多旋翼垂直轴风能发电机周围流场计算准确 性， 可以清晰展现转子周围涡流分布， 在超过 1000核以上仍有较高的并行效率， 大幅缩短了计 算时间。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 114417744 A 2022.04.29 CN 114417744 A 1.一种多旋翼 垂直风能发电机空气动力学 数值模拟方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： 步骤一： 建立用来计算的计算区域的几何形状文件； 步骤二： 对旋转区域和非旋转区域进行分割， 并建立包裹整个旋转区域的几何形状文 件； 步骤三： 对整个计算区域进行网格生成， 网格生成中分为旋转区域和非旋转区域两部 分； 步骤四： 建立 流体控制方程和边界条件； 步骤五： 在求 解步骤四的控制方程时需要引入 对应的湍流模型 方程； 步骤六： 在采用有限体积法对原模型离散后， 需要对旋转区域和非旋转区域在步骤二 中几何形状文件的网格上进行插值， 插值方式采用任意网格界面法； 步骤七： 对求解区域进行分解， 对应离 散后的矩阵离 散到不同的核数 上； 步骤八： 对每 个核上的矩阵采用对应矩阵求 解方法对离 散后的线性矩阵进行求 解。 2.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤一中几何形状文件包括垂直轴风能发动机的几何文件， 单个风能发电机的流 场可能影响的整个区域几何文件， 风 流入的入口和出口 的几何文件。 3.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤二中对于绕轴旋转的转子， 其分割界面应该为圆柱型状。 4.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤三中整个计算区域对其划分为结构化六面体网格， 旋转区域网格和非旋转区 域网格由步骤二中的圆柱型面分割开， 并对应形成面网格。 5.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤四中控制方程为不可压缩 牛顿流体， 其应该满足不可压缩流体纳维 ‑斯托克斯 方程。 6.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤五中采用大涡模拟滤波器进行滤波处理， 并引入斯帕拉特 ·阿尔马拉斯湍流 模型进行计算， 并采用涡流延迟分离的方法。 7.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤六中对分割旋转区域和非旋转区域的面上设置从动面和主动面， 主动面保持 旋转速度， 从动面则是保持静止， 根据从动面和主动面网格分别在 网格区域内的面积占比 进行插值。 8.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤 七中求解区域分解时采用按计算 量和网格量的分解方法。 9.根据权利要求1所述的一种多旋翼垂直风能发电机空气动力学数值模拟方法， 其特 征在于： 步骤八中对于每 个矩阵采用多重网格法的方法对流场进行求 解。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114417744 A 2一种多旋翼垂直风能发电机空 气动力学数值模拟方 法 技术领域 [0001]本发明涉及垂直风能发电机技术领域， 具体是指一种多旋翼垂直风能发电机空气 动力学数值模拟方法。 背景技术 [0002]多旋翼垂直风能发电机在实际运行过程中， 由于转子之间相互影响， 在转子周围 涡流较为复杂， 其较水平轴风能发电机转子旋转速度更快， 数值求解过程中对于旋转区域 离散和求解精度要求更高。 多旋翼垂直风能发电机在进行数值计算过程中主要存在两个问 题： 计算涡流的准确性和旋转区域的计算处 理。 [0003]在CFD求解过程中， 根据时间项主要分为瞬态计算和稳态计算， 瞬态计算可以更清 晰展示计算过程中流场的变化， 但其计算量一般较大， 稳态计算则主要得到流场稳定时的 结果， 其计算 量较小， 但不能观察到整个流场的变化过程。 [0004]对于现有的技术中， 对于旋转部分主要存在三种处理技术， 固定转子技术(Frozen   RotorTechnique)， 动网格技术(dynamic  mesh)和混合平面方法(Mixing  plane  Apporach)。 固定转子技术和混合平面技术代表方法为多重参考系方法(Moving  reference 简称MRF)， 该方法在计算过程中旋转体并不发生实际运动， 通过设定多个参考系的方法实 现计算， 该方法主要用于稳态计算， 该方法计算成本较低， 但其计算精度也较低。 动网格技 术在计算中网格发生实际的旋转， 其主要用于瞬态计算， 相比另外两种方法具有更高的准 确度， 并可以精确展示旋转过程中的流场变化趋势， 但是其计算时间约为稳态计算时间的 30倍。 [0005]目前对于多旋翼垂直风能发动机的研究主要以提高计算的准确性为主， 但是随着 计算区域的增大， 计算网格量出现大幅提高， 需要求解问题的规模也越来越大， 在 采用动网 格技术保证计算准确 性的情况下， 计算速度成为一个很大 的门槛， 导致数值分析结果要么 准确性不足， 要么计算时间过长的问题， 数值计算不能很好的用在辅助实际风能发动机的 设计中， 计算成本过 大。 发明内容 [0006]本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷， 提供一种多旋翼垂直风能发电机 空气动力学数值模拟方法， 保证了多旋翼垂直轴风能发电机周围流场计算准确 性， 可以清 晰展现转子周围涡流分布， 在超过10 00核以上仍有较高的并行效率， 大幅缩短了计算时间。 [0007]为解决上述技术问题， 本发明提供的技术方案为： 一种多旋翼垂直风能发电机空 气动力学 数值模拟方法， 包括以下步骤： [0008]步骤一： 建立用来计算的计算区域的几何形状文件； [0009]步骤二： 对旋转区域和非旋转区域进行分割， 并建立包裹整个旋转区域的几何形 状文件； [0010]步骤三： 对整个计算区域进行网格生成， 网格生成中分为旋转区域和非旋转区域说　明　书 1/5 页 3 CN 114417744 A 3