基于流固耦合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特性分析

馮博琳， 王軍利， 張文升， 李托雷， 雷 帥

(1.西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽 712099；2.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，常規(guī)能源的利用和消耗不斷增加，但常規(guī)能源儲備有限，我們將面臨嚴(yán)峻的能源危機(jī)問題。因此，作為可再生資源的風(fēng)能得到了大力開發(fā)利用[1-2]。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究領(lǐng)域，閆萌萌[3]在充分研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究現(xiàn)狀和流固耦合發(fā)展的前提下，對風(fēng)力機(jī)流固耦合研究進(jìn)行了展望，但沒有具體介紹風(fēng)力機(jī)流固耦合分析的方法；戴巨川等[4]在論述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組成以及工作原理的基礎(chǔ)上，對其核心部件風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行了數(shù)值模擬，但其數(shù)值模擬時沒有考慮氣動載荷對風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的影響；趙俊杰[5]對2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片形狀進(jìn)行了設(shè)計與仿真分析，在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行模態(tài)分析時，沒有考慮氣動載荷對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片模態(tài)振型及頻率的影響。

上述研究在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真時，沒有考慮氣動載荷對發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，不能真實(shí)反映實(shí)際發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的受力情況。本文為了能夠更好地模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際環(huán)境中的工作過程，借助于有限元仿真技術(shù)，以流固耦合分析理論為基礎(chǔ)，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的流固耦合特性進(jìn)行仿真分析。

1 風(fēng)力機(jī)流場分析

在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行流固耦合時首先進(jìn)行流場分析，流場分析時采用ANSYS Workbench軟件中的Fluent(CFX)模塊。流場分析結(jié)束后，將流場分析得到的風(fēng)力發(fā)電機(jī)表面壓力載荷導(dǎo)入到靜力學(xué)、模態(tài)分析模塊中。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)流場網(wǎng)格劃分

(a) 外流場網(wǎng)格 (b) 內(nèi)流場網(wǎng)格圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)流固耦合分析有限元網(wǎng)格模型

本文研究的風(fēng)力發(fā)電機(jī)流場的尺寸參數(shù)為50 m×75 m×100 m，運(yùn)用三維建模軟件ProE的曲面設(shè)計模塊，建立了發(fā)電機(jī)葉片三維曲面模型及風(fēng)力發(fā)電機(jī)其他零件三維模型[6]。在進(jìn)行有限元分析前，首先借助ProE軟件裝配模塊對風(fēng)力機(jī)的裝配體進(jìn)行相關(guān)檢查(包括干涉檢查、碰撞檢查和動態(tài)檢測)。確保模型裝配關(guān)系正確后，將其另存為中間格式igs導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過對國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)格劃分技術(shù)的研究，在有限元分析的整個過程中需綜合考慮風(fēng)力機(jī)葉片的幾何形狀，以更好地反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作環(huán)境中的使用情況。為了提高計算效率，外部流場使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來降低計算的復(fù)雜性。最終得到的風(fēng)力發(fā)電機(jī)流固耦合分析有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.2 流場邊界條件設(shè)置

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)流場分析計算中，入口邊界條件選擇為速度入口，初始值設(shè)定為5 m/s；出口邊界條件設(shè)置時選擇壓力出口，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，將外流場其他面置為壁面[7]。在對內(nèi)流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，設(shè)置其為旋轉(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速設(shè)置為130 rpm。內(nèi)外流場交界面設(shè)置成為“interface”，選擇兩者數(shù)據(jù)交換方式為CGI，參考壓力選擇為1 atm，計算模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ω模型。

1.3 流場仿真結(jié)果分析

經(jīng)過Fluent軟件仿真計算得到了不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)周圍氣體流速分布圖(圖2)。

(a) 5 m/s (b) 10 m/s (c) 15 m/s圖2 不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)周圍氣流分布云圖

從圖2可以看出，不同風(fēng)速作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)周圍氣流流速分布趨勢相同，氣體流速最大產(chǎn)生部位為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片端部，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片端部氣流流速與風(fēng)速呈正相關(guān)，當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時葉片端部的氣流流速最大為113.8 m/s。

經(jīng)過Fluent軟件仿真計算得到了不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)表面壓力分布云圖如圖3所示。

(a) 5 m/s (b) 10 m/s (c) 15 m/s圖3 不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)表面壓力分布云圖

從圖3中可以看出：不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)表面壓力分布趨勢相同，葉片表面的壓力分布梯度較大，不均勻，葉片背面的壓力為負(fù)值，最小壓力出現(xiàn)在葉片背面端部，最大壓力發(fā)生在葉片正面端部，并且最大壓力與風(fēng)速呈正相關(guān)，當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時葉片的最大壓力約為2.5×104Pa。之后要將流場分析結(jié)果導(dǎo)入靜力學(xué)分析模塊中，因此需要對風(fēng)力機(jī)模型進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。

2 風(fēng)力機(jī)靜力學(xué)有限元分析

在對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析時，根據(jù)實(shí)際風(fēng)力機(jī)使用工況，固定風(fēng)力機(jī)底部，并在風(fēng)力機(jī)底部對其添加Fixed Support(固定約束)，只保留葉片方向沿X軸的轉(zhuǎn)動，最后將風(fēng)速為15 m/s時的葉片氣動載荷及機(jī)身氣動載荷導(dǎo)入。在設(shè)置完約束和載荷邊界條件后，經(jīng)過有限元仿真軟件ANSYS Workbench計算分析得到了風(fēng)力機(jī)表面應(yīng)力和變形云圖如圖4所示。

(a) 風(fēng)力機(jī)變形分布云圖 (b) 風(fēng)力機(jī)應(yīng)力分布云圖 圖4 風(fēng)力機(jī)變形云圖和應(yīng)力云圖

從圖4中可以看出：風(fēng)力機(jī)最大變形發(fā)生在葉片端部，當(dāng)風(fēng)速15 m/s時其最大變形量為 11.66 mm；風(fēng)力機(jī)最大應(yīng)力發(fā)生在葉片根部，其他部分的應(yīng)力值較小，其最大應(yīng)力值約為39 MPa；但最大應(yīng)力沒有超過所用材料的屈服強(qiáng)度，為了更好地研究葉片與風(fēng)速之間的關(guān)系，經(jīng)過仿真得到風(fēng)力機(jī)葉片的變形、應(yīng)力與風(fēng)速之間的關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。

(a) 葉片端部 (b) 葉片中部 (c) 葉片根部圖5 風(fēng)力機(jī)葉片的變形與風(fēng)速之間的關(guān)系曲線

(a) 葉片端部 (b) 葉片中部 (c) 葉片根部圖6 風(fēng)力機(jī)葉片的應(yīng)力與風(fēng)速之間的關(guān)系曲線

從圖5和圖6可以看出，葉片變形和風(fēng)速變化的趨勢與風(fēng)力機(jī)葉片應(yīng)力和風(fēng)速的變化趨勢相同。當(dāng)風(fēng)速在5～10 m/s之間時，葉片的變形和應(yīng)力隨著風(fēng)速的增加而減小；風(fēng)速在10～15 m/s之間，風(fēng)力機(jī)葉片的變形和應(yīng)力隨著風(fēng)速的增加而變大；當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，葉片的變形量和應(yīng)力值在固定值附近上下波動，并且波動趨勢表現(xiàn)為衰減態(tài)勢。

3 風(fēng)力機(jī)預(yù)應(yīng)力模態(tài)有限元分析

表1 風(fēng)力機(jī)前6階模態(tài)頻率

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時，由于風(fēng)力可能存在的劇烈變化會使風(fēng)力機(jī)葉片產(chǎn)生振動，其中較低階的模態(tài)振型對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響程度要高于高階模態(tài)振型。因此，研究低階模態(tài)振型具有一定的實(shí)用價值[9-10]。模態(tài)分析邊界條件設(shè)置與靜力學(xué)邊界條件設(shè)置相同，本文采用Block Lanczos法提取了風(fēng)力機(jī)前6階模態(tài)振型。不考慮流固耦合情況與考慮流固耦合情況下的前6階模態(tài)頻率如表1所示，模態(tài)振型如圖7所示。

圖7 風(fēng)力機(jī)模態(tài)振型云圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模態(tài)頻率分布在0.7～4 Hz之間，頻率分布范圍較為集中，其中第1、2階模態(tài)固有頻率比較接近，第4、5階模態(tài)固有頻率比較接近。模態(tài)振型表現(xiàn)為：第1階振型為風(fēng)力機(jī)整體在XOZ平面內(nèi)左右擺動，振幅較大；第2階振型為風(fēng)力機(jī)整體在YOZ平面內(nèi)左右擺動，振幅較大；第3階振型為風(fēng)力機(jī)上部分繞著Z軸方向扭轉(zhuǎn)；第4階振型為風(fēng)力機(jī)整體在YOZ平面內(nèi)左右擺動并且葉片繞著X軸轉(zhuǎn)動；第5階振型和第1階振型一樣；第6階振型較為復(fù)雜，風(fēng)力機(jī)整體在多個方向上復(fù)合振動。

考慮流固耦合情況時風(fēng)力機(jī)模態(tài)頻率較高，但兩者模態(tài)振型相同。這是因為流場氣動載荷作用于風(fēng)力機(jī)表面時增加了其剛度，從而導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)各階模態(tài)的頻率增大。

4 結(jié) 論

本文所建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)流固耦合分析的數(shù)值計算模型能夠有效地模擬氣動載荷效應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，首先經(jīng)過流場仿真分析得到了氣流對風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)影響最大的部位為風(fēng)力機(jī)葉片端部，葉片端部的壓力較大；之后將流場分析得到的風(fēng)力機(jī)表面氣動載荷作為外載荷對風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)最大變形、應(yīng)力值之間的關(guān)系。最后在對風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時，為了更好地模擬實(shí)際風(fēng)載對風(fēng)力機(jī)模態(tài)頻率的影響，將風(fēng)力機(jī)表面施加流場分析得到的風(fēng)力機(jī)表面壓力載荷，經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)不考慮氣動載荷時得到的風(fēng)力機(jī)模態(tài)頻率相比，采用流固耦合分析模型時風(fēng)力機(jī)模態(tài)頻率較高，但兩者模態(tài)振型相同，其中兩者風(fēng)力機(jī)第3階模態(tài)振型頻率相差較大，二者相差達(dá)到了2.7%。