通过PowerFLOW仿真优化城市风力涡轮机

我们有机会在 2022 年 Eurocentral 区域用户会议上采访了意大利理工大学教授 Francesco Avallone，了解他的演讲“用于城市环境的管道风力涡轮机的空气动力学和气动声学”。

没有多少 5 岁的孩子能准确预见到他们职业生涯的开始，但都灵理工大学教授 Francesco Avallone 无疑就是这种情况。

“在我上学的第一年，有人问我将来想做什么，我记得我说我想成为一名航空航天工程师，”Avallone 说。“那时，我无法想象我知道这意味着什么，但事实是，我从很小的时候就被工程学所吸引——老实说，我被任何涉及数学问题的事情所吸引。”

大约 24 年后，Avallone 从那不勒斯费德里科二世大学毕业，获得航空航天工程硕士学位——他的旅程正如他所预测的那样开始。但不久之后，他看到自己的职业生涯走上了一条略有不同的道路。

“获得博士学位后，我获得了荷兰代尔夫特理工大学的博士后研究员的录取通知书，在那里我将研究风力涡轮机的噪声，”Avallone 说。“这对我来说是一个有趣但复杂的领域，所以我选择了它。”

正如他们所说，剩下的就是历史了。从那时起，Avallone 就一直在风能领域工作。“风能非常重要，尤其是因为它很容易获得，而且也很清洁，”他说。

事实上，最近的政府间气候变化专门委员会 （IPCC） 报告宣布，由于温室气体排放，“人类的红色警报”强调了可再生能源对全球能源需求的重要性。“风能将在能源转型中发挥关键作用，因此尽可能多地了解这样的自然资源至关重要，”Avallone 说。

Avallone 对这个主题的热情是显而易见的。“这让我很着迷，因为我们建造今天风力涡轮机所依据的工程原理保持不变，”他说。

在城市地区使用传统风力涡轮机具有挑战性，因为与海上站点相比，存在多种因素，包括较低的风速和不均匀的流入。

然而，改变的是我们拥有的涡轮机空间。“传统上，风力涡轮机位于空间充足的区域，但今天的城市环境没有那么奢侈，”Avallone 说。“虽然海上涡轮机肯定有一席之地，但找到在城市环境中使用风能的方法也很重要，这样我们就可以从更靠近用户的清洁能源所节省的成本中受益。”

“城市环境中的每栋建筑都会影响风的流动，”Avallone 说。“进一步的挑战包括涡轮机的整体接受度，这通常相当低，尤其是因为它们产生的噪音。”

但 Avallone 决心应对这些挑战。他与之前在代尔夫特理工大学的团队一起研究了管道式空气涡轮机。“这是一个封装在管道中的风力涡轮机，”他说。“管道的作用是相对于裸露的涡轮机运行增加通过涡轮机的质量流量。它还可以防止我们之前谈到的流量持续变化，因此它可以帮助提高涡轮机在如此复杂环境中的效率。

Avallone 的设计还有助于限制噪音。“当然，要完全解决噪音问题是困难的，因为噪音与空气动力学有关，你不能丢弃空气动力学。然而，随着较小的风力涡轮机安装在更靠近环境的地方，振幅较小，频率也不同，“他说。“管道也有助于最大限度地减少噪音。”

然而，设计这种类型的产品是一项复杂的工作。“管道系统与传统涡轮机的复杂性不同，”Avallone 说。“安装也可以有相关的价格。这还没有考虑成本问题——我们希望这种类型的能源是负担得起的，这样这些系统的建造成本就不会很高。

使用物理原型解决这些问题将耗费时间、成本和资源。但是，通过使用仿真，Avallone 和他的团队可以虚拟测试产品的迭代，根据以前的迭代评估其性能，并根据需要进行改进。“仿真有助于我们了解微小的细节，从而产生更好的设计，”Avallone 说。“通过进行强大的空气动力学模拟，我们可以获得真正准确的噪声预测。”

Avallone 和他的团队使用 Dassault Systèmes 的 SIMULIA （模拟）科技。“我们主要与PowerFLOW 系列，因为它非常适合我们的需求，“Avallone 说。

PowerFLOW 可导入完全复杂的模型几何体，并准确高效地执行空气动力学、气动声学和热管理仿真。“它使我们能够处理具有极其复杂流程的大规模模拟，”Avallone 说。

这些并不是唯一的好处。“该软件不断更新，因此我们始终觉得我们处于新开发的前沿，并使用最先进的技术，”Avallone 说。“我们还获得了非常全面的支持，因此我们知道任何安装或运行问题都将得到轻松解决。”

因此，Avallone 相信 SIMULIA 将在未来很长一段时间内为他的团队提供支持。“城市变得越来越复杂，因此对管道风力涡轮机的需求也将发生变化，”他说。“从长远来看，我们希望设计出形状不同、更美观的新型风力涡轮机。仿真将帮助我们做到这一点。