風力機葉片單向流固耦合分析

成 誠，程筱勝，戴 寧

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

風力機葉片單向流固耦合分析

成 誠，程筱勝，戴 寧

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

對風力渦輪機葉片在指定的流場壓力場下的變形提出一種新的分析方法。利用多重參考系模型，研究葉片表面的受力和葉片周圍流場的變化，對風力渦輪機葉片進行單向流固耦合分析。葉片在12m/s風速下的數(shù)值模擬結果顯示葉尖部分壓力最大。該方法既能真實模擬葉片運行時的狀況，又能節(jié)省計算時間，提高效率。

ANSYS Workbench；FLUENT；流固耦合；風力機葉片

對兩個或兩個以上工程學科(物理場)間相互作用的分析，就是耦合場的分析。類似結構與流體的耦合分析，即流固耦合(Fluid Structure Interaction)，流體流動時所產(chǎn)生的壓力作用于結構，使結構發(fā)生形變[1]。流體流動的環(huán)境將由結構變形的影響決定，所以其為交互式的問題。

目前在工程學科，模擬的耦合場更多地用來分析實際問題，特別是在流體力學領域，如風場風機葉片變形、水流中水輪機葉片的變形情況等。

由于軟件的開發(fā)水平有限，很多軟件還不能夠進行多物理場的耦合，只能模擬單一的物理場。國內的一些大學和研究機構常常會開發(fā)某些專業(yè)軟件，將其應用于一個物理模型的多場耦合分析的研究，如ANSYS和FLUENT的相關程序接口的二次開發(fā)[2]。該方法可以解決不同軟件之間數(shù)據(jù)交換的問題，但這種方法需要消耗大量的時間，同時也要求軟件開發(fā)商有足夠的編程水平，因此開發(fā)的程序，也往往是他們?yōu)樽约核芯康念I域設計的,要想繼續(xù)推廣，存在著很大的局限性[3]。

國內在這方面的研究資料十分稀缺，雖然能夠實現(xiàn)流固耦合分析的軟件和方法有很多,但仍然受到了方方面面因素的制約[1]。本文以1.5MW水平軸風力機的葉片在風場中旋轉時的某一瞬時狀態(tài)為例,介紹單向流固耦合(FSI)分析方法是如何通過ANSYS Workbench實現(xiàn)的[2]。

1 流固耦合方法

風力機工作時，空氣和風力機葉片之間的作用關系是相互的。風力機葉片在表面受到壓力時會產(chǎn)生變形，而在風力機高速運行時，這種變形會被放大[1]。對于流體的運動，變形過程中的風力機葉片又會反過來產(chǎn)生某種特定的影響。運用單向流固耦合的分析方法，能夠研究在氣流瞬時變化下，風力機葉片所產(chǎn)生的影響，即按照一定的順序，求解2個物理場，然后將兩物理場之間邊界上的結果，應用于一個物理場，作為邊界條件并迭代求解另一個物理場[1]。

首先，使用三維建模軟件，建立風力機葉片三維模型。將葉片模型導入CFD軟件，建立葉片的外流場，并劃分網(wǎng)格[4]。CFD軟件分析計算后得到葉片表面壓力，將壓力值作為初始條件輸入FEA軟件，分析計算后可得到風力機葉片的外形變化。基本流程如圖1所示。

圖1 流固耦合方法流程圖

2 三維建模

本文利用CAD軟件Pro/E建立風力機葉片的三維實體模型。Pro/E為確保用戶可以按照本人的需求進行應用，將所有功能分為草圖繪制模塊、零件制作模塊、裝配設計模塊、鈑金設計模塊、加工處理模塊等[5]。

Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，通常采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型[3]。這種面向工程設計的功能特性充分考慮了方便性和機動性[6]。本文采用Pro/E的原因是其強大的曲面造型功能，邊界混合是主要的使用功能之一[7]。建立完成的葉片實體模型如圖2所示。

圖2 葉片實體模型

3 流場分析計算

3.1建立計算流域并劃分網(wǎng)格

根據(jù)葉片實體在Pro/E繪制模型，設置流體范圍中的區(qū)域并進行網(wǎng)格劃分。在計算外流場時，因為風力機非常巨大，所以往往所設置計算域的范圍是葉片尺寸的數(shù)倍。為了減少網(wǎng)格數(shù)量，整個計算過程采用單流道計算,以減少對計算機資源的需求[8]。因為葉輪是三葉片的，根據(jù)對稱性，取葉輪的三分之一，即對單一葉片進行分析。計算流域如圖3所示。

圖3 計算流域

由于葉片尺寸非常大，為了避免過大周向速度存在于計算域的外邊界上，讓計算更易收斂，便不會將整個計算流域設置為旋轉流域，因此整個計算域在用FLUENT計算數(shù)值前，將會被分為內區(qū)域和外區(qū)域兩個部分，而內區(qū)域將會被設置為旋轉區(qū)域，interface面被設置在兩個區(qū)域之間傳遞數(shù)據(jù)。旋轉流域如圖4所示。

圖4 旋轉流域

3.2計算模型選擇

對于建立多個對象之間的相對旋轉模型，顯然不能依靠簡單地轉變參考坐標系，如攪拌桶內攪拌輪具有兩種以上不同的轉動角速度，渦輪發(fā)動機定子和轉子的葉輪機械干擾問題，不管如何設置參考系統(tǒng)，遇到的固體邊界問題都將隨時間變化。FLUENT中用于這類問題的計算模型包括多重參考系模型(Multiple Reference Frame，MRF)、混合面模型(Mixing Plane)、滑移網(wǎng)格模型(Sliding Mesh)技術[9]。MRF模型和混合面模型用于定常流動的計算，其中MRF模型是最簡單的，也是最經(jīng)濟的模型。

MRF模型是每個區(qū)域中不同旋轉或移動速度的穩(wěn)態(tài)近似。當邊界地區(qū)的流動區(qū)域幾乎均勻混合時，這種方法更適合。顯然，近似的MRF的多重參考模型不能應用于大量的非定常流動。例如，轉子和定子之間交互作用相對較弱的葉輪機械可以使用MRF模型。葉片間的作用相對較弱，而混合計算域內因為沒有大范圍的瞬態(tài)效應則可以使用MRF模型[10]。另一個MRF模型計算流場的潛在用法是可以將其求解的結果作為使用瞬態(tài)滑動網(wǎng)格模型(Sliding Mesh)的初始流場[10]。

在使用MRF模型進行計算時，整個計算域被分成多個小的子域。每個子域可以有自己的運動方式，或靜止或旋轉或平移。通過控制方程求解每個子域流動速度，則邊界區(qū)域的交換信息即為每個子域中子域流場的絕對速度信息[11]。如果網(wǎng)格界面規(guī)則，即網(wǎng)格節(jié)點接口對稱分布在界面區(qū)的兩側，則網(wǎng)格劃分方法為常規(guī)方法。如果網(wǎng)格界面是不規(guī)范的，即在交界面兩側的界面區(qū)域是不一樣的，例如一邊是三角形網(wǎng)格，另一邊是四邊形網(wǎng)格，而重合區(qū)域的兩側，分別屬于不同的區(qū)域，則訊息通過插值彼此傳輸。

3.3結果輸出

通過相應的設置，即可運行FLUENT進行運算。風速為12m/s，可以得到葉片迎風面壓力和葉片背風面壓力分布，如圖5所示。

圖5 迎風面和背風面的壓力分布

4 結構靜力分析

4.1材料屬性設置

葉片所用材料不均勻，并具有正交各向異性，所以建立模型有一定的難度，這是由于其內部各材料的密度ρ、彈性模量E和泊松比μ均不一致。雖然復合材料的各組成材料剛度的簡單代數(shù)和并不能代表整體剛度，即EI≠∑EiI，其中I為慣性矩,但實際工程中，層間約束對剛度的影響極為微弱，所以可忽略層間約束，因此仍然按照材料力學的方法，即EI=∑EiI處理葉片材料特性計算。葉片模型即可經(jīng)過等量密度ρd、等量模量Ed和等量泊松比μd來建立。

屬于正交各向異性的復合材料的材料特性，需要建立3個互相垂直的主方向，每個方向材料常數(shù)各不相同，這和一般的各向同性材料是不同的。根據(jù)正交各向異性材料屬性設置的方法，設置各材料常數(shù)，使其滿足復合材料的模型要求，即分別將x向、y向和z向設置為材料2方向、材料3方向和材料1方向的彈性常數(shù)。

4.2葉片網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格不能太稀疏或密集，否則對計算精度和計算時間會有很大的影響。網(wǎng)格劃分過密，能夠提高計算精度，但同時會大大增加計算時間；反之，若網(wǎng)格劃分過疏，則會降低計算精度，更有可能與實際情況產(chǎn)生相當大的差距。如果劃分自由網(wǎng)格，對實體的形狀沒有任何限制，也不用依據(jù)任何模式，非常適合于劃分復雜的曲面和體。因此對于葉片這種不規(guī)則的具有高度扭曲表面的實體，對其進行自由網(wǎng)格劃分，最后得到17 131個單元和16 813個節(jié)點。MaxSkewness值為0.86，符合精度要求。劃分網(wǎng)格后的模型如圖6所示。

圖6 葉片劃分網(wǎng)格后的效果圖

4.3邊界條件的確定

邊界條件即進行分析計算的初始條件，包括模型的約束條件和載荷情況。本文研究的重點是通過數(shù)值分析方法計算葉片表面壓力并映射到結構的靜力分析模型，充分模擬實際工況下葉片受風作用的效果。映射后的效果如圖7所示。

圖7 映射后的壓力分布

4.4計算結果分析

利用ANSYS軟件分析計算，在風速12m/s情況下風力機葉片的變形狀況如圖8所示。圖中風力機在額定速度下旋轉時，風力機結構受風場的影響能夠明顯看出來。在變形區(qū)域放大的情況下，葉片顯示出較為明顯的變形，變形的趨勢與在風場中所受到的葉片表面壓力分布是基本吻合的，葉尖部分的變形最大，越靠近葉根處，變形越小。在變形量最大的葉尖處，葉片的材料最薄，且相對于葉根處的約束部分最遠。

圖8 葉片變形圖

根據(jù)分析結果，優(yōu)化葉片結構的設計。對葉片添加筋板為主要的優(yōu)化手段，在使葉片結構的剛度及強度得到有效提高的同時，還能有效提高該風力機風能的轉化效率。

5 結束語

在葉片表面利用靜態(tài)分析模塊計算瞬態(tài)壓力分布，是實現(xiàn)流固耦合的最大難題。本文有效解決了該難題，在不改變初始條件的前提下，使模擬的應力值和變形狀態(tài)更加精確，更加趨近于實際狀況。該方法不僅操作簡單方便，而且應用領域廣泛。在研究類似于水泵、壓縮機、風扇、吹風機、渦輪、膨脹器、渦輪增壓器和鼓風機等旋轉機械葉片的單向流固耦合問題時，該方法都是適用的。

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Thecouplinganalysisonfluid-solidinteractionofwindturbineblade

CHENG Cheng, CHENG Xiaosheng, DAI Ning

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

It presents a new method for analyzing the deformation of wind turbine blade in particular flow field and pressure field. With the multiple reference frame model, this paper researches the pressure distributions on blade surface and the changes of the surrounding flow field, analyzes coupling characteristic fluid-solid interaction of wind turbine blade, provides numerical simulation result for the most pressure on blade tip in 12m/s wind. This method can not only simulate the situation of blade runtime realistically, but also reduce the calculation time and increase efficiency.

ANSYS workbench; FLUENT; fluid-solid interaction; wind turbine blade

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.11.007

2014-10-11

成誠(1988—)，男，江蘇泰興人，南京航空航天大學博士研究生，主要研究方向為數(shù)字化醫(yī)療裝備技術。

TK83

A

2095-509X(2014)11-0028-04