風(fēng)沙環(huán)境下風(fēng)速對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片沖蝕磨損的數(shù)值模擬

張麗新，盛 偉，唐美玲

（沈陽(yáng)工程學(xué)院a.研究生部；b.發(fā)展規(guī)劃處，c.能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高和轉(zhuǎn)動(dòng)軸較短的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為風(fēng)電發(fā)展的主流機(jī)型。在風(fēng)沙環(huán)境下，由于氣體和固體顆粒所受慣性力的不同，固體顆粒會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行碰撞而造成磨損，縮短其使用壽命，減小發(fā)電量。葉片的磨損情況受葉片材料的物理性能和機(jī)械性能，顆粒入射速度和角度，顆粒濃度、硬度和形狀等方面的影響。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)機(jī)葉片是關(guān)鍵部件，進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)花費(fèi)較高［1-2］，所以近年來(lái)關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)多采用數(shù)值模擬的方法［3-4］。針對(duì)葉片的沖蝕，余冬、康師源、董曉鋒［5-8］等對(duì)沖蝕角度、粒徑和沖蝕速度進(jìn)行了相關(guān)研究。顏魯薪［9］等設(shè)計(jì)了變槳控制的葉片，可由風(fēng)沙的大小和風(fēng)向來(lái)調(diào)節(jié)角度，進(jìn)而減小風(fēng)沙對(duì)葉片的影響。舒冠華［10］采用多相流沖刷試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了氣固兩相、氣液固三相實(shí)驗(yàn)，并分析了材料沖刷磨損機(jī)理。本文以風(fēng)機(jī)葉片為研究對(duì)象，借助FLUENT研究顆粒在風(fēng)速變化的條件下對(duì)風(fēng)機(jī)葉片造成的磨損影響。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 實(shí)體模型

首先，獲取葉素離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并將數(shù)據(jù)保存。在solidworks中插入曲線，經(jīng)過(guò)放樣、陣列得到風(fēng)機(jī)葉片［11］。建好的水平軸風(fēng)機(jī)葉片模型如圖1所示。

圖1 建好的模型風(fēng)機(jī)葉片

將建好的風(fēng)輪葉片模型導(dǎo)入到Design Modeler，建立流場(chǎng)，將整個(gè)流場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域分為圓柱形旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止的矩形外部區(qū)域，如圖2所示。

圖2 整個(gè)流場(chǎng)

為了減少計(jì)算資源的耗費(fèi)，提高計(jì)算精度，在劃分網(wǎng)格時(shí)進(jìn)行了加密處理。對(duì)旋轉(zhuǎn)域、葉片、葉片附近都做了網(wǎng)格加密處理。劃分的結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 網(wǎng)格切面

1.2 兩相流參數(shù)

連續(xù)相為空氣，密度為1.225 kg/m3；顆粒相為沙粒，粒徑直徑為0.5 mm，密度為2 650 kg/m3，濃度為1 000 mg/m3。因?yàn)轭w粒相的體積分?jǐn)?shù)小于12%，符合離散相的使用條件，粒子間的平均間距很大，所以本文采用離散相模型。利用雷諾時(shí)均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，結(jié)合SIMPLE算法，對(duì)連續(xù)相流場(chǎng)進(jìn)行模擬。

1.3 模擬條件

由于三維數(shù)值模擬葉片的侵蝕行為較為復(fù)雜，需要考慮流體間、顆粒間、流體與顆粒以及顆粒與葉片的相互影響。所以本文做了如下假設(shè)：

1）將顆粒相作為稀相處理，即認(rèn)為顆粒相是不影響氣相流動(dòng)的，不考慮顆粒相之間的相互碰撞，主要研究顆粒相對(duì)葉片的沖蝕；

2）認(rèn)定顆粒相主要受到重力、浮力和流體的作用力，忽略其余作用力；

3）在計(jì)算磨損率時(shí)，磨損是均勻地分布在計(jì)算單元上的。

1.4 邊界條件

旋轉(zhuǎn)域是隨著葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的，旋轉(zhuǎn)的速度即是葉輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，單位為15 r/min。進(jìn)口為速度入口，出口為壓力出口。旋轉(zhuǎn)域與靜止域的交界面用interface處理，其他壁面采用wall。

連續(xù)相入口速度分別設(shè)置為12 m/s、17 m/s 和22 m/s，葉輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，離散相直徑為0.5 mm，葉片處離散邊界類(lèi)型設(shè)為反射邊界條件，其余壁面條件都為逃逸邊界條件。

1.5 顆粒磨損計(jì)算方法

為了研究顆粒對(duì)葉片造成的沖蝕磨損規(guī)律，顆粒侵蝕可以在壁面的邊界進(jìn)行監(jiān)測(cè)。侵蝕率定義為

式中，c(dp)為顆粒直徑函數(shù)；f(γ)為入射角函數(shù)；b(v)為沖擊速度的函數(shù)；v為顆粒速度；Aface為壁面的單元表面積為粒子質(zhì)量；Nparticles為在單位時(shí)間內(nèi)撞擊壁面的顆?？倐€(gè)數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 葉片表面特征分析

圖5 速度云

圖5 為來(lái)流風(fēng)速為12 m/s 時(shí)葉片的速度云圖。由圖5 可知，葉尖處的速度最大，速度沿著葉尖到葉根的方向逐漸減小，出現(xiàn)速度梯度。由于葉尖到葉根的速度變化，撞擊到葉片的沙粒的速度梯度也有同樣變化。

圖6 為來(lái)流風(fēng)速分別為12 m/s、17 m/s 和22 m/s 葉片表面的動(dòng)壓圖。由圖6 可知，在葉尖偏前緣處所受到的壓力最大，葉根處受到的壓力最小，壓力在葉尖到葉根的方向上呈遞減趨勢(shì)。隨著來(lái)流風(fēng)速的增大，葉片所受到的動(dòng)壓力也會(huì)相應(yīng)增大，但只是數(shù)值大小發(fā)生變化，動(dòng)壓力梯度變化趨勢(shì)不變。由此可知，在顆粒對(duì)葉片造成沖蝕磨損的過(guò)程中，葉尖及前緣是會(huì)受到較為嚴(yán)重的磨損的，葉根處受到的磨損最小。

圖6 動(dòng)壓

2.2 沖蝕磨損云圖分析

圖7 為來(lái)流風(fēng)速分別為12 m/s、17 m/s 和22 m/s時(shí)的葉片沖蝕磨損云圖。由于葉片表面受到磨損導(dǎo)致葉輪旋轉(zhuǎn)不平衡，3 個(gè)葉片的磨損程度會(huì)有所差異，但磨損的總體趨勢(shì)近似相同。從葉根至葉尖都受到了不同程度的磨損，葉尖的磨損最為嚴(yán)重。隨著來(lái)流風(fēng)速的增大，沖蝕磨損率也會(huì)有所增大，但是磨損的部位基本沒(méi)有發(fā)生較大變化。

圖7 沖蝕磨損

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片在不同風(fēng)速下的模擬分析可知，隨著風(fēng)速的增大，葉輪表面的壓力增大，從葉尖到葉根的表面動(dòng)壓力依次減小。由于沙粒沖擊葉片不同部位且速度不同，導(dǎo)致葉片磨損率會(huì)增加，葉片中部和葉尖都有明顯磨損，其中葉尖處磨損最為嚴(yán)重。

2）將計(jì)算模擬值與文獻(xiàn)［12］中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合，所以該數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法可用來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)葉片在挾風(fēng)沙的流場(chǎng)中的葉片磨損。

3）葉片在風(fēng)沙中的磨損趨勢(shì)為葉片前緣、葉尖和葉片中部磨損比較嚴(yán)重，可在這類(lèi)區(qū)域采用硬度和韌性都比較大的涂層材料涂裝。

本文雖然模擬出了風(fēng)機(jī)葉片較容易受到磨損的區(qū)域，但實(shí)際的情況是葉片根部、前緣、中部、葉尖受到的磨損程度有區(qū)別。因此，可對(duì)葉片不同程度磨損的區(qū)域進(jìn)行劃分，再依據(jù)磨損程度涂裝相適應(yīng)的材料，以此減少葉片磨損，增加葉片使用壽命，提高發(fā)電量。