可再生能源對于減少化石燃料產生的二氧化碳排放至關重要，是邁向可持續能源社會的關鍵一步。作為當今應用最廣泛的可再生能源，風能不僅清潔、可再生，而且相對具有成本效益。為了進一步提高其在全球范圍內的采用率，需要應用 CAE 技術降低其能源生產成本并提高其可靠性。
H2O Turbines Ltd 是英國渦輪增壓風力發電機技術專家。該公司已經建造了一個創新的3KW家用渦輪機，該渦輪機使用專利技術將風能轉化為熱能和電能（圖 1）。該渦輪機足夠小，無需規劃許可即可安裝在后花園中，并將旋轉運動能量轉換為儲存的熱能。簡單來說，當風吹來時，渦輪機的頂部開始旋轉，旋轉軸進入渦輪機的底部進行運轉。渦輪機不使用電氣元件，在運行和發電過程中不燃燒碳，也不使用貴金屬。為了提供更多的清潔熱能，這項技術的升級及推廣計劃正在有序進行中。英國的 DOCAN 是一家先進的工程咨詢和 CAE 軟件分銷公司，一直為H2O Turbines 提供工程支持，支持原型開發和 FEED（前端工程設計）項目。他們一直使用海克斯康的軟件和技術支持這種創新的新型可再生能源系統的開發。
海克斯康于 2018 年收購BRICSCAD，用于生成新型渦輪系統的 2D 和 3D 幾何并提供 3D 可視化。
將 MSC Apex 應用于幾何形狀處理，以便對葉片結構的不同配置進行快速的結構研究。通過中性面提取、網格劃分和運行分析，可在幾分鐘內完成固有頻率分析（圖 2 和 3）。這一部分對于設計很重要，避免在風載和運行下激發固有頻率。
圖 2：使用 MSC Apex 進行幾何清理
圖 3：固有頻率分析
事實上，H2O 渦輪機將風能轉化為機械能，然后再轉化為熱能。
為了將能量從渦輪機傳輸到加熱系統，將使用大型行星齒輪系統。
因此，不僅需要正確設計和確定齒輪組件的尺寸，還需要確定可以傳遞到加熱系統的機械能。
能量傳遞和系統動力學分析在Adams中完成（圖 4 和圖 5）。
作為 FEED 過程的一部分，需要考慮渦輪機的所有主要方面。使用 Adams AdWiMo，可以考慮渦輪機設計的每個主要方面，包括塔架、葉片、輪轂、主機架、變速箱殼體、軸承、傳動裝置、控制裝置、空氣動力和離心力，科氏加速度、陀螺效應、力矩、點載荷、重力、熱載荷和來自第三方的波浪載荷。AdWiMo 是Adams 的風力渦輪機插件，能夠組裝完整的風力渦輪機，并對其進行參數化，可以模擬單個或多個風場。Adams 是使用最廣泛的多體動力學仿真軟件，具有與 CAD、有限元軟件和第三方產品的眾多接口。這使得 Adams 和 AdWiMo 成為企業工程流程的理想平臺。AdWiMo 用戶也可以訪問 Adams 的所有功能（圖 6）。
對于線性 FEA 結構仿真，MSC Nastran 為 H2O 渦輪機提供復雜的多學科結構分析解決方案，包括振動和轉子動力學在內的靜態、動態和熱仿真方案。在非線性方面，Marc求解器能夠在全局和局部進行復雜的非線性分析，包括極端非線性事件和接觸。例如，渦輪機在典型的“UK 風”作用下（圖 7），需要評估全局塑性坍塌。
圖 7：渦輪葉片的典型應力分析
（來自韓國航空航天大學）
DOCAN 還使用海克斯康的 CAEfatigue 分析低周和高周疲勞問題（例如葉片顫振和渦振），以確保設計滿足所需的使用壽命。CAEfatigue 擅長計算渦輪機由于風不可預測性引起的隨機輸入和輸出。
“非常需要發明和創新，尤其是在氣候變化和寶貴的地球資源枯竭的情況下。目前沒有不燃燒碳或不需要電力來運行的熱量供應商。我們的運營 100% 無碳，我們的燃料（風能）也是無碳的”， H2O 的研發總監兼聯合創始人 Clifford Spilsbury 說，“憑借 DOCAN 團隊的工程專業知識，及其背后的由海克斯康提供的世界領先的CAD 和 CAE 工具，我們堅信我們將成功地將這一創新的可再生能源系統推向市場，改變社會產生熱量的方式，并為我們在 2050 年實現地球碳中和的目標做出貢獻。”
最后，強大的 CFD 和熱-流分析還可以涵蓋許多風力渦輪機問題，例如潛在的氣動彈性顫振、葉片的空氣動力學和專業泵的設計（圖 8 和 9）。此外，Cradle CFD 可以與其他產品（例如 Actran）結合使用，以預測來自渦輪葉片的氣動噪聲。由于渦輪機將安裝在住宅區的后院，因此最大限度地降低氣動噪聲對產品的成功至關重要。
圖 9：葉片上的壓力分布（側視圖）
