風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片流固耦合分析*

張 旭， 劉安宇

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300387)

風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為世界上最具發(fā)展前景的能源開(kāi)發(fā)方式.目前，利用風(fēng)能最為行之有效的裝置是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中最具重要性的部件即為葉片，因?yàn)槠湫阅芘c風(fēng)力機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀及穩(wěn)定性存在直接關(guān)聯(lián).在風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，葉片周?chē)諝獾牧鲃?dòng)對(duì)葉片產(chǎn)生的作用力促使葉片出現(xiàn)一定程度的形變，這一變化會(huì)導(dǎo)致周邊空氣的流向發(fā)生變化.為了得到精準(zhǔn)的葉片動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，首要要考慮葉片及流場(chǎng)間存在的作用，即必須考慮葉片與其周?chē)鲌?chǎng)的耦合作用.

國(guó)外研究人員對(duì)流體和固體風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了大量研究.Tongchitpakdee等對(duì)偏航條件下的大型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)其氣動(dòng)性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析[1]；Rachid等在定常情況及非定常情況下對(duì)NACA4415翼型的葉片彎曲及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行分析研究，延長(zhǎng)了風(fēng)力機(jī)的使用壽命[2]；Kim等考慮了氣動(dòng)彈性對(duì)葉片的影響，并對(duì)大型風(fēng)力機(jī)葉片性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)[3].

自80年代中期至今，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)實(shí)體研究流固耦合問(wèn)題與風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)的流固耦合進(jìn)行了大量的研究.徐建源等利用ADAMS軟件建立了風(fēng)波聯(lián)合作用海上風(fēng)力機(jī)模型，并對(duì)其進(jìn)行流固耦合分析，得到了復(fù)雜工況下的風(fēng)力機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)[4]；李少華等利用Fluent軟件并結(jié)合SSTk-ω模型對(duì)1.2 MW風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪流場(chǎng)進(jìn)行模擬，但是并沒(méi)有考慮風(fēng)力機(jī)塔筒與流場(chǎng)間的相互作用對(duì)數(shù)據(jù)造成的影響[5]；胡丹梅等在水平軸風(fēng)力機(jī)模型不同尖速比條件下對(duì)風(fēng)輪下游流場(chǎng)速度進(jìn)行測(cè)量，獲得風(fēng)力機(jī)葉片尾跡的流場(chǎng)定量信息，由于該測(cè)量方法容易受外界因素的影響，因此，流動(dòng)情況與實(shí)際情況有一定誤差[6-7]；田琳琳等結(jié)合制動(dòng)盤(pán)理論與CFD方法，并通過(guò)Fluent軟件對(duì)9臺(tái)風(fēng)力機(jī)的尾流互相干擾情況進(jìn)行模擬，得到風(fēng)力機(jī)尾流相互影響的結(jié)果[8]；陳海萍等研究了葉片周?chē)鲌?chǎng)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)特性的影響[9]；潘萍萍等通過(guò)Fluent軟件對(duì)1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒進(jìn)行流固耦合分析，得到了風(fēng)力機(jī)塔筒的動(dòng)態(tài)評(píng)估方法[10].

本文應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)改進(jìn)后的2 MW風(fēng)力機(jī)葉片模型進(jìn)行流固耦合分析，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)翼型NACA4412的改進(jìn)，應(yīng)用鋪層設(shè)計(jì)把葉梢、葉根、展向等厚度改成漸變式.首先得到風(fēng)力機(jī)葉片及風(fēng)輪的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，再將風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果施加到固體計(jì)算中，得到風(fēng)力機(jī)的應(yīng)力分布，進(jìn)而得出應(yīng)力最大值及變形量最大位置，所得結(jié)果可以為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供指導(dǎo)[11].

1 流固耦合方法

流固耦合問(wèn)題從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌葋?lái)看，其計(jì)算可以分為兩種：?jiǎn)蜗蛄鞴恬詈虾碗p向流固耦合.單向流固耦合是指通過(guò)流體計(jì)算獲得的壓力、速度等數(shù)據(jù)可以通過(guò)連接界面導(dǎo)入固體結(jié)構(gòu)，或者將從固體計(jì)算獲得的網(wǎng)格位移轉(zhuǎn)移到流體的計(jì)算.

計(jì)算流體力學(xué)簡(jiǎn)稱(chēng)CFD，主要使用離散點(diǎn)上的一系列變量值代替時(shí)域和空間域中的一系列物理量.通過(guò)建立可以表示變量之間關(guān)系的代數(shù)方程，將基本方程離散化，通過(guò)CFD的數(shù)值模擬，可以顯示流動(dòng)領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng).在通過(guò)CFD分析的工程應(yīng)用中，可以深入研究耦合問(wèn)題以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)指南，達(dá)到節(jié)約成本的目的.流固耦合分析流程圖如圖1所示.

圖1 耦合系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of coupling system

2 三維模型建立

本文利用NASYS APDL建立風(fēng)力機(jī)葉片的三維實(shí)體模型.采用傳統(tǒng)翼型NACA4412應(yīng)用復(fù)合材料建立葉片有限元模型如圖2a所示，該模型總長(zhǎng)44.5 m，翼型最大弦長(zhǎng)3.1 m，根部為直徑2.34 m的圓形，質(zhì)量為10.6 t.為了加強(qiáng)葉片穩(wěn)定性，在葉片中部添加兩個(gè)厚為1.6 cm的加強(qiáng)筋，葉根部也進(jìn)行了加厚，具體模型如圖2b所示.葉片的建模工作主要在傳統(tǒng)翼型NACA4412模型下進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用鋪層設(shè)計(jì)把葉梢、葉根、展向等厚度改成漸變式，這樣不僅更加接近實(shí)體模型，在強(qiáng)度、剛度上也有所加強(qiáng)，風(fēng)輪模型如圖2c所示.

3 靜止單葉片流固耦合分析

3.1 流場(chǎng)計(jì)算分析

根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)在ANSYS軟件中繪得實(shí)體模型，有針對(duì)地對(duì)流體實(shí)際范圍進(jìn)行了設(shè)定，同時(shí)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，不過(guò)因常規(guī)風(fēng)力機(jī)體積過(guò)大，因此在制定計(jì)算域的過(guò)程中需要將其設(shè)置為葉片的數(shù)倍以上.設(shè)置的流體域范圍為202 m×103 m×63 m，所劃分的網(wǎng)格數(shù)為4 601 159，計(jì)算域及計(jì)算域網(wǎng)格模型如圖3所示.

在進(jìn)行流場(chǎng)分析時(shí)應(yīng)先抑制葉片固體域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體域的保護(hù)，設(shè)置流體控制溫度為25 ℃.依照入口實(shí)際條件對(duì)其速度進(jìn)行控制，并將這一設(shè)定速度稱(chēng)為恒速，流體的方向則需要垂直于入口界面，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置流體速度大小為13 m/s，而流體出口處設(shè)定為自由流出，風(fēng)力機(jī)葉片邊界條件設(shè)置為光滑無(wú)滑移壁面.風(fēng)場(chǎng)流速圖如圖4a所示，葉片在迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力分布如圖4b、c所示，在背風(fēng)面葉片受到較小的壓力，而迎風(fēng)面葉片受到壓力最大.

圖2 葉片及風(fēng)輪模型Fig.2 Models for blade and wind wheel

圖3 計(jì)算域及計(jì)算域網(wǎng)格模型(靜止?fàn)顟B(tài))Fig.3 Models for computational domain and computationaldomain grid (static state)

圖4 風(fēng)場(chǎng)流速及迎風(fēng)面、背風(fēng)面壓力分布Fig.4 Wind field velocity and pressure distributionof windward and leeward surfaces

3.2 葉片靜力分析

葉片翼面材料為玻璃鋼，該材料為線性材料，用MP命令定義其材料特性.其各層的線性材料特性為正交異性，具體參數(shù)為：展向模量42.6×109Pa，徑向模量16.5×109Pa，剪切模量5.5×109Pa，泊松比0.22，密度1 950 kg/m3.

通過(guò)Static Structural接收風(fēng)場(chǎng)的分析結(jié)果數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜力的相關(guān)研究.首先單獨(dú)保留葉片，確保流程部分處于制約狀態(tài).由于葉片實(shí)際網(wǎng)格劃分直接影響最后的研究結(jié)果，因此在劃分過(guò)程中要確保其規(guī)則性.在Static Structural模塊下選擇Engineering Data，定義材料參數(shù)密度、彈性模量、泊松比和剪切模量，導(dǎo)入固體模型，定義網(wǎng)格劃分參數(shù)劃分網(wǎng)格，設(shè)置的網(wǎng)格數(shù)為980 916，定義固定約束.劃分網(wǎng)格后的模型如圖5所示.

圖5 葉片網(wǎng)格模型Fig.5 Model for blade grid

4 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)風(fēng)輪流固耦合分析

4.1 流場(chǎng)計(jì)算分析

將Fluent模塊的Solution與Static Structural模塊的Setup建立連接進(jìn)行單向流固耦合分析，導(dǎo)入風(fēng)輪分別建立旋轉(zhuǎn)流體域和外部空氣流體域，旋轉(zhuǎn)流體域半徑為48 m，高度為6 m.外部空氣流體域尺寸為606 m×296 m×296 m，設(shè)置網(wǎng)格劃分參數(shù)及膨脹層，計(jì)算域及計(jì)算域網(wǎng)格模型如圖6所示.

圖6 計(jì)算域及計(jì)算域網(wǎng)格模型(旋轉(zhuǎn)狀態(tài))Fig.6 Models for computational domain and computationaldomain grid (rotation state)

設(shè)置室溫為25 ℃，入口速度為13 m/s，定義旋轉(zhuǎn)軸為y軸，旋轉(zhuǎn)速度為1.894 49 rad/s，風(fēng)場(chǎng)流速圖如圖7a所示，通過(guò)Contour云圖顯示的壓力云圖如圖7b所示，可以看出壓力從葉根到葉尖逐漸減少，葉根最大，而在葉尖處最小.

圖7 風(fēng)場(chǎng)流速及風(fēng)輪壓力分布Fig.7 Wind field velocity and pressuredistribution of wind wheel

4.2 風(fēng)輪結(jié)構(gòu)靜力分析

在Static Structural模塊下選擇Engineering Data進(jìn)行材料參數(shù)定義：密度為1 950 kg/m3，彈性模量為42.6×109Pa，泊松比為0.22，剪切模量為5.5×109Pa，導(dǎo)入固體模型，劃分網(wǎng)格，設(shè)置葉輪網(wǎng)格數(shù)為1 393 827，定義固定約束.劃分網(wǎng)格后的模型如圖8所示.

圖8 風(fēng)輪網(wǎng)格模型Fig.8 Model for wind wheel grid

4.3 結(jié)果輸出

導(dǎo)入流體分析結(jié)果即壓力，選擇導(dǎo)入壓力的面為葉片外表面，得到應(yīng)變分布如圖9所示.由圖9可知，在額定速度下風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)受風(fēng)場(chǎng)的影響出現(xiàn)變形，變形的趨勢(shì)與在風(fēng)場(chǎng)中所受到的葉片表面壓力分布是基本吻合的，此外在形變量最大的葉尖處，相對(duì)于葉根處的約束部分最遠(yuǎn)，并且此處葉片材料是最薄的，與文獻(xiàn)[11]實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合.

圖9 風(fēng)輪應(yīng)變分布Fig.9 Stain distribution of wind wheel

5 結(jié) 論

本文合理應(yīng)用ANSYS Workbench實(shí)現(xiàn)風(fēng)力系統(tǒng)中風(fēng)輪及葉片的單向流固耦合分析，得到兩者在運(yùn)行數(shù)據(jù)上存在的關(guān)聯(lián).實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)為進(jìn)行葉片疲勞及共振頻率測(cè)試提供了一定的參考，為之后的研究提供基礎(chǔ).在實(shí)際運(yùn)行工作中，葉片的固有頻率為耦合之后整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率，這個(gè)固有頻率包括了風(fēng)力機(jī)塔架在系統(tǒng)中對(duì)葉片的影響，系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)離心力的作用，風(fēng)場(chǎng)在系統(tǒng)中對(duì)葉片的影響，系統(tǒng)中重力作用等一系列的作用，這些影響與單個(gè)葉片在靜止?fàn)顟B(tài)下的模態(tài)頻率有一定的區(qū)別，但一般而言頻率的變化很小.在今后的葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，同樣需要關(guān)注該部分問(wèn)題，以便得到的模型與實(shí)際運(yùn)作更為接近，減小并優(yōu)化設(shè)計(jì)周期.