基于ANSYS的運(yùn)行環(huán)境下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷分析與研究

關(guān) 新，梁 斌，石 磊，高景興

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院新能源學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136；2.華電鐵嶺風(fēng)力發(fā)電有限公司，遼寧鐵嶺 112000；3.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110161）

葉片是風(fēng)力機(jī)一次能源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其主要作用是將自然風(fēng)所攜帶的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，葉片結(jié)構(gòu)和材料的完整度對(duì)風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行起至關(guān)重要的作用。風(fēng)力機(jī)葉片上下翼型的外輪廓，直接影響風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率。為更好地利用風(fēng)資源，葉片翼型從傳統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)翼逐漸演變成風(fēng)力機(jī)專用葉片翼型。在正常運(yùn)行工作時(shí)，葉片翼型與飛機(jī)翼型在大氣中不同：一方面風(fēng)力機(jī)葉片工作時(shí)，其葉素迎角扭轉(zhuǎn)變化很大；另一方面風(fēng)力機(jī)葉片葉素是在低雷諾數(shù)下工作。在進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉素設(shè)計(jì)時(shí)，為了有效地提高風(fēng)能利用系數(shù)，要使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)能量損失越小越好，即風(fēng)力機(jī)葉片阻力越小越好。因此，升力系數(shù)的提高是葉片扇葉擇優(yōu)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。從飛機(jī)翼型理論中可知，升阻比（CL/Cd）對(duì)于翼型是重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。升阻比在150～170的為一般流線翼型，某些特殊結(jié)構(gòu)的理論翼型升阻比可達(dá)到400左右。通常，葉片翼型升阻比隨著雷諾數(shù)的增加而增加。

風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)要求其具有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，其中風(fēng)力機(jī)葉素所經(jīng)受的載荷是強(qiáng)度分析的關(guān)鍵。通過(guò)ProE機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行3D建模，獲得葉片的模擬圖像，并基于葉片動(dòng)量理論（BEM），模擬和分析風(fēng)力機(jī)在正常或極端條件下的負(fù)載，利用有限元軟件（ANSYS）對(duì)其在空氣流場(chǎng)的正常情況下模擬分析出葉片上所受氣動(dòng)應(yīng)力的分布規(guī)律，其生成結(jié)果可作為對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片載荷設(shè)計(jì)的重要參考[1-2]。

1 葉片三維實(shí)體建模

風(fēng)力機(jī)葉片表層形狀呈現(xiàn)空間曲線形狀，具有復(fù)雜的氣動(dòng)載荷分布，利用ProE三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行葉片實(shí)體建模，并將其轉(zhuǎn)化為IGES文件，導(dǎo)入有限元分析軟件中，其建模結(jié)果如圖1所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)葉片三維實(shí)體模型

2 風(fēng)力機(jī)葉片流體域設(shè)計(jì)

ICEM CFD軟件是美國(guó)ICEM Technologies公司的產(chǎn)品，其具有強(qiáng)大的CAD模型修復(fù)功能。自動(dòng)從模型背板中提取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)自動(dòng)網(wǎng)格。

主要工程步驟如下：

1）導(dǎo)入幾何模型圖形，并提取文件中的點(diǎn)、線和面，整理和修改模型；

2）修復(fù)導(dǎo)入過(guò)程中引起圖形的線或面缺失等原有的幾何特征或表達(dá)錯(cuò)誤的程序；

3）生成四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；

4）通過(guò)查看網(wǎng)格質(zhì)量分布，改正質(zhì)量差的小網(wǎng)格部分和區(qū)段；

5）邊界層網(wǎng)格加密；

6）光順網(wǎng)格表面，改善網(wǎng)格質(zhì)量，最終得到葉片流體域及葉片網(wǎng)格模型[3-5]，如圖2和圖3所示。

圖2 葉片流場(chǎng)域

圖3 葉片網(wǎng)格模型

3 葉片載荷計(jì)算分析

FLUENT的數(shù)值算法包括問(wèn)題耦合和非耦合之間的顯示和隱式的不同算法，采用不可壓流體的亞音速氣體作為模擬分析對(duì)象，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε算法氣體湍流模型，故該物理模型為多相流模型。

關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置包括流動(dòng)進(jìn)口、出口邊界設(shè)置，壓力進(jìn)口邊界設(shè)置，質(zhì)量流量進(jìn)口邊界要求，速度進(jìn)口邊界速率，進(jìn)口通風(fēng)邊界的選擇，進(jìn)口風(fēng)扇邊界的選擇，壓力出口邊界設(shè)定，壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界設(shè)定，自由流出邊界，出口通風(fēng)邊界，排風(fēng)扇邊界，壁面邊界，對(duì)稱邊界，周期性邊界，內(nèi)部邊界面等，并重點(diǎn)考慮流體材料屬性，求解器采用求解插值函數(shù)及網(wǎng)格的自適應(yīng)功能函數(shù)。

具體邊界條件設(shè)置時(shí)，基于風(fēng)電場(chǎng)提供2018年5月13日13時(shí)20分的風(fēng)資源數(shù)據(jù)，進(jìn)口設(shè)置為速度入口速率，速度值為12 m/s，出口邊界條件壓力設(shè)置為0。選擇正常風(fēng)力機(jī)葉片離散化后的耦合分析方法進(jìn)行流場(chǎng)初始化，流場(chǎng)域保持12 m/s的空氣速度。流場(chǎng)的求解迭代步驟為3 000步，模擬分析風(fēng)力機(jī)運(yùn)行風(fēng)速為12 m/s，圖4為風(fēng)力機(jī)切出風(fēng)速為25 m/s的壓力分布圖，圖5為極端風(fēng)速為50 m/s的條件下葉片的壓力分布圖。

圖5 50 m/s風(fēng)速葉片壓力分布

用葉片正常運(yùn)行的最大承受應(yīng)力和切出風(fēng)速最大應(yīng)力以及極端風(fēng)速情況下的應(yīng)力相比較，即9.13 m/s＜3.92×102m/s＜1.59×103m/s。在所有材料中，結(jié)構(gòu)鋼為混合的碳纖維結(jié)構(gòu)材料，提取碳纖維復(fù)合材料的葉片的載荷譜分析數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1中的數(shù)據(jù)可知，風(fēng)力機(jī)葉片在正常運(yùn)行時(shí)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于玻璃鋼能夠承受的最大應(yīng)力值，所以風(fēng)力機(jī)葉片可以用玻璃鋼復(fù)合材料制作。

表1 碳纖維復(fù)合材料載荷譜葉片

4結(jié) 論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為一個(gè)整體，在正常運(yùn)行的狀態(tài)下發(fā)電時(shí)，葉片不斷地旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，并入電網(wǎng)系統(tǒng)。葉片作為一個(gè)最重要的接受風(fēng)能的直接裝置，必須要保證葉片的安全受力，以及葉片在一段時(shí)間內(nèi)能夠承受住極限工況，并保證安全運(yùn)行。因此，研究風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷主要是研究風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)載荷分布情況。葉片所用材料為玻璃纖維或環(huán)氧樹脂，在安全設(shè)計(jì)的情況下，葉片形狀為不規(guī)則模型是為了最大利用風(fēng)能。因此，為了模擬葉片上的氣動(dòng)載荷分布，在葉素理論的情況下將整個(gè)葉片劃分成若干個(gè)單元計(jì)算是葉片載荷計(jì)算的首選方法。在ANSYS CFD建立好的流場(chǎng)中，可計(jì)算出葉片每一葉素的載荷大小，便于葉片工程設(shè)計(jì)人員對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)和完善。