風(fēng)力機(jī)葉輪單向流固耦合工程分析方法研究

關(guān) 新，馬 驍，陳 旭

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)金山能源股份有限公司 新能源分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片根部的研究較少，對(duì)葉片根部的靜力學(xué)分析并未涉及流固耦合分析和模態(tài)分析，所以應(yīng)通過(guò)各種方法加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片根部的分析［1-2］。此外，風(fēng)力機(jī)的葉片根部作為連接部位，所受應(yīng)力最集中，也應(yīng)作更深入的研究。

1 計(jì)算參數(shù)

1.1 風(fēng)輪直徑

風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪直徑可用下式進(jìn)行估算：

式中，P為風(fēng)力機(jī)輸出功率，本文P取5×106W；ρ為空氣密度（ρ=1.225 kg/m3）；v為設(shè)計(jì)風(fēng)速，v=12 m/s（6級(jí)風(fēng)）；η為風(fēng)力機(jī)效率；Cp=0.4；D為風(fēng)輪直徑，計(jì)算后得D≈79 m。

1.2 設(shè)計(jì)風(fēng)速

根據(jù)中國(guó)氣象信息中心提供的東北和西北風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，該地區(qū)平均風(fēng)速為6 m/s。因我國(guó)風(fēng)資源分布遵循威布爾分布函數(shù)，故設(shè)計(jì)風(fēng)速選取12 m/s。

1.3 風(fēng)力機(jī)翼型選擇

翼型的氣動(dòng)性對(duì)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行和壽命起著關(guān)鍵的作用。目前，研發(fā)且相對(duì)成熟的翼型有瑞典的FFA-W 系列、美國(guó)的SERI 系列、NACA44xx 系列、NACA63-4xx系列、NREL-S809和WA等。本文選取國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的WA 大厚度鈍尾緣翼型作為研究對(duì)象，該翼型主要是針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，厚度分別為45%、50%、55%及60%的翼型輪廓［3-4］，如圖1所示。

圖1 4種厚度翼型的幾何輪廓

1.4 葉片的弦長(zhǎng)和安裝角

由于WA 大厚度鈍尾緣翼型屬我國(guó)自主研發(fā)的新型翼，暫時(shí)無(wú)葉片截面的詳細(xì)參數(shù)，故參考NACA634 系列翼型對(duì)葉片各截面的弦長(zhǎng)（C）和安裝角（θ）等進(jìn)行模擬計(jì)算，其參數(shù)如表1所示。

表1 葉片各個(gè)截面參數(shù)分布

2 風(fēng)力機(jī)葉片建模

根據(jù)已確定的翼型弦長(zhǎng)、安裝角等參數(shù)，確定翼型各葉素離散坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)(x,y,z)，對(duì)于兩葉素之間的翼型進(jìn)行二次樣條延展。各個(gè)葉素空間離散坐標(biāo)點(diǎn)保存為文本格式（.txt）作為SolidWorks 軟件建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。用曲線(xiàn)將同一截面的點(diǎn)連接起來(lái)，通過(guò)放樣和掃掠建立風(fēng)力機(jī)葉片的模型，風(fēng)輪葉片投影輪廓如圖2所示。

圖2 葉片投影輪廓

最終確定葉片葉素截面及葉片截面放樣如圖3所示。

圖3 葉片葉素截面及放樣

將葉片與輪轂以面接觸方式進(jìn)行裝配。圖4為風(fēng)輪流固耦合分析三維模型。

圖4 風(fēng)輪流固耦合分析三維模型

3 流固耦合控制

流固耦合分析是一門(mén)流體力學(xué)和固體力學(xué)相互交叉的學(xué)科，主要研究流體與固體之間的相互關(guān)系。流固耦合須同時(shí)定義流體域和固體域，將描述流體變化的變量和固體變化的變量歸結(jié)為未知變量，其控制方程主要包括流體、固體和流固耦合的3 個(gè)控制方程。

3.1 控制方程

3.1.1 流體力學(xué)控制方程

流固耦合遵循流體力學(xué)的基本假設(shè)和相關(guān)定律，流體域遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒：

式中，t為時(shí)間；ff為體積力；ρf為流體密度；v為流體速度矢量；τf為剪切力張量；E為單位質(zhì)量?jī)?nèi)能；qf為單位體積熱量損失。

3.1.2 固體控制方程

依據(jù)牛頓第二定律可以推導(dǎo)出固體的控制方程：

式中，ρs為固體密度；δs為柯西應(yīng)力張量；fs為體積力矢量；為固體域當(dāng)?shù)丶铀俣仁噶俊?/p>

3.1.3 流固耦合方程

根據(jù)守恒定律，在流固耦合的接觸交界面位置上，流體和固體的應(yīng)力、變形都應(yīng)該是一一對(duì)應(yīng)守恒的：

式中，τf為流體的應(yīng)力；τs為固體的應(yīng)力；nf為流體的單位方向向量；ns為固體的單位方向向量；df為流體的位移；ds為固體的位移［5-7］。

3.2 流固耦合分析流程

流固耦合分析的流體域與固體域共用一個(gè)模型，在流體場(chǎng)中求解后，將結(jié)果作為輸入條件傳遞給固體場(chǎng)，流程如圖5所示。

圖5 流固耦合分析流程

將流體域和固體域分別命名為fluid 和solid，搭建流固耦合分析流程，如圖6所示。

圖6 流固耦合分析流程

4 耦合場(chǎng)建立工程求解

基于工程角度考慮，采用1:1 葉輪實(shí)體三維網(wǎng)格進(jìn)行分析，其單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)體量龐大，不利于工程計(jì)算求解，故將風(fēng)輪實(shí)體三維模型縮小為實(shí)物的，其流固耦合模型如圖7所示。

圖7 葉輪流固耦合三維分析模型

4.1 流體域分析

進(jìn)入Fluent 分析模塊對(duì)固體域（solid）進(jìn)行抑制，并分別設(shè)置Inlet（進(jìn)口）、outlet（出口）、sym（對(duì)稱(chēng)面）、wall-ground（地面）、wall-fsi（耦合面），同時(shí)采用Navier-Stokes方程和SST湍流模型對(duì)其求解。因葉輪實(shí)體模型縮小為實(shí)物的，故邊界條件也需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整（流體入口的風(fēng)速為12 m/s×40=480 m/s），求解迭代至150步收斂，最終所得流場(chǎng)云圖如圖8所示。

通過(guò)流體分析的結(jié)果云圖可知，葉片中心的流線(xiàn)呈一定的渦旋狀。

4.2 固體域分析

因風(fēng)力機(jī)葉輪為高分子復(fù)合材料，故需對(duì)材料進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置并賦予葉片，其參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)力機(jī)葉片材料參數(shù)

圖8 風(fēng)輪流場(chǎng)分析

為了提高工程求解精度，對(duì)流體域進(jìn)行壓縮。網(wǎng)格控制為10 mm，劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量為0.834 57，超過(guò)了0.7，滿(mǎn)足工程要求，單元網(wǎng)格如圖9所示。

圖9 葉片網(wǎng)格劃分

在Static Structural 下Imported Load 后，進(jìn)行固體域分析。固體域計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

求解后可知，風(fēng)力機(jī)葉片的最大應(yīng)力分布在根部，應(yīng)力值為111.24 MPa，小于葉片材料的屈服應(yīng)力，葉片末梢的最小應(yīng)力值近似于0 MPa。

圖10 葉輪壓力

5 結(jié)論

從計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，葉片根部動(dòng)力響應(yīng)能夠影響整個(gè)葉片的性能和壽命。本文基于工程角度進(jìn)行葉片實(shí)體建模并對(duì)葉輪進(jìn)行流固耦合分析及動(dòng)力響應(yīng)研究，結(jié)論如下：

1）采用實(shí)際工程可使用的方法優(yōu)化建模，并結(jié)合流固耦合分析的基礎(chǔ)理論，采取單向流固耦合分析技術(shù)，對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

2）從風(fēng)輪結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析結(jié)果來(lái)看，葉輪的葉根位置承載的疲勞載荷較大，故在葉輪實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中須加強(qiáng)葉片根部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；同時(shí)，葉片攻角對(duì)葉輪總體應(yīng)力值影響較大（與葉片厚度等參數(shù)相比較），在風(fēng)力機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中以及風(fēng)況變化情況下，適時(shí)調(diào)整槳距角對(duì)提高風(fēng)輪運(yùn)行穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用。

3）由于缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析誤差率在微觀(guān)上難以估算；但從宏觀(guān)結(jié)果上分析，符合風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的工程實(shí)際情況，可利用3D 打印技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)修正計(jì)算模型，提高計(jì)算結(jié)果的可靠性。