基于ANSYS Workbench的風力機流固耦合分析

周海棟，張艷偉，王博超，龐 偉

(1.河北工程大學裝備制造學院，河北邯鄲 056038；2.河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲 056038；3.中國石油天然氣股份有限公司河北滄州銷售分公司，河北滄州 062450；4.西山煤電集團官地礦，山西太原 030022)

基于ANSYS Workbench的風力機流固耦合分析

周海棟1，張艷偉2，王博超3，龐 偉4

(1.河北工程大學裝備制造學院，河北邯鄲 056038；2.河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲 056038；3.中國石油天然氣股份有限公司河北滄州銷售分公司，河北滄州 062450；4.西山煤電集團官地礦，山西太原 030022)

利用ANSYS Workbench軟件對2 kW的風力機進行流固耦合分析，得到風場風速、葉片所受風壓、葉片變形、應力應變等有限元分析結果。同時對葉片本身、葉片在風場中靜止及旋轉情況下進行模態分析，并進行比較。ANSYS已將流體軟件CFX整合到Workbench中，利用Workbench對風機進行流固耦合分析可在軟件內部完成多物理場數據傳遞，方便實用。得到的風場信息、葉片應力云圖及葉片的模態分析為葉片的優化設計及研發工作提供直接數據，從而減少產品開發周期，降低開發成本。

風機葉片；有限元；流固耦合分析；模態分析

葉片是風力發電機組的關鍵部件之一，它的設計直接影響到風能的利用效率。因此，對于葉片的氣動外形設計顯得尤為重要。對葉片及流場進行有限元分析能為葉片的優化設計、改型及研發提供直觀準確的數據信息。

隨著CAE軟件技術的發展，葉片的流固耦合可以在ANSYS Workbench中實現。最新的Workbench 12在工程頁引入了工程圖解的概念，利用該功能可以將一個復雜的包含多場分析的物理問題，通過系統間的連接實現其相關性。這種全新的界面使得用戶與軟件的交互更加方便，操作更加簡單。同時，ANSYS已將CFD軟件CFX整合到ANSYS Workbench中，流固分析數據傳遞不需要借助接口軟件，避免了數據傳遞的繁雜過程和數據丟失現象，從而使分析結果更精確，與實際情況更接近。

本文利用ANSYS CFX 12進行流場分析，得出葉片受到的風壓，再將數據傳遞給靜力學分析模塊，計算得出葉片所受壓力、變形等，然后將數據傳遞給模態分析模塊，得出葉片的前8階模態。

本研究中葉片模型不同截面處的葉素安裝角，最佳弦長等數據來源于參考文獻[1]。

1 三維模型的建立

根據選定的湍流模型，把風作為黏性不可壓縮流體處理，并設風機葉片表面無滑移、無滲透，使得流體的運動有旋，且風機葉片與風場在耦合面上的速度壓力均相等[2]。因此，流場分析可以分為2個域：一個是旋轉域，另一個是靜止域。旋轉域表示與風機一起旋轉的有旋空氣，其轉速與風輪轉速相同。靜止域表示風機周圍的空氣，其速度即為風速。旋轉域用內部挖去風機形狀的圓柱來表示，圓柱內部挖去的型腔為風機的外形。靜止域用長方體表示，內部挖去旋轉域，見圖1。

圖1 風機模型Fig.1 Wind turbine model

2 風機葉片的流固耦合

本文利用ANSYS Workbench對風機葉片進行流固耦合分析。ANSYS Workbench中流固耦合分析的流程見圖2[3]。

2.1流場分析

分析流場時可以用布爾操作將模型中相應部分挖去，形成CFD分析中所需的旋轉域和靜止域。

進行流場分析時可先抑制固體風機部分。旋轉域的內腔邊界條件類型Wall，用來計算風機葉片上受到的風壓。其他參數：葉輪前額定風速為7 m/s，出口處為1.013×105Pa，空氣溫度為25 ℃，風機轉速為160 r/min。

圖2 流固耦合分析流程Fig.2 Process of fluid-solid coupling analysis

從風場的流速圖(圖3)可以直觀地看出風場的流速從葉根到葉尖逐漸增加，在葉尖處最大，葉根處最小。

圖3 旋轉域風場流速Fig.3 Wind velocity of the rotation domain

2.2風機結構靜力學分析

本文使用參考文獻[2]中的材料。葉片材料為密度1.5 g/cm3，楊氏模量125 GPa，泊松比0.22，抗拉強度1 600 MPa。此處不考慮葉片材料的鋪層，葉片為實心葉片。

將風場分析的結果數據傳遞到Static Structure中進行結構靜力分析。可以先將流場部分抑制，僅留下葉片風輪。葉片的網格劃分對分析結果十分重要，應盡量讓劃分的網格規則、網格畸變程度要小。可以將各個葉片進行掃略型網格劃分，同時將葉片的前后緣進行份數的控制以達到合適的網格密度。

葉片有限元分析時，葉片的重力和旋轉速度不能忽略，假設重力的方向沿負y軸方向，繞x軸逆時針旋轉。葉片與輪轂接觸處為系統默認的綁定接觸。

圖4所示為導入的葉片壓力圖，從圖4中可以看出葉片葉尖處的風壓最大。葉尖處的沖角和葉素安裝角是整個葉片最小的，此處攻角為葉片的最佳沖角，氣流受到的阻力單位面積上最大，能提供較大的推力。這也證明了葉片設計過程中的關鍵一點：在相同的推力下，葉尖距離轉軸最遠，能提供較大的轉矩，對風力機的功率輸出有重要的影響，所以葉尖處要有較大推力以得到最佳效率，此處的沖角為最佳沖角。而葉根處之所以沒有采用最佳沖角是為了減小葉根處的弦長，這是從制造角度考慮的。

圖4 導入的葉片壓力Fig.4 Import the pressure of the blades

圖5為有限元分析結果，由圖5可看出葉片的總變形和葉片的最大應力。葉片的總變形出現在半徑最大處，此處弦長最小，葉片厚度最小，而所受的壓力最大。應力最大處為葉片中部靠近葉片前緣處。由云圖可以決定應變片的放置位置，為葉片的檢測、優化、疲勞測試等提供依據。

2.3葉片模態分析

對風機進行模態分析能避免可能引起的共振。在模態分析中，一般不加載結構載荷和熱載荷，只有在計算有預應力的影響時才會考慮載荷[4-7]。

本文只對葉片單獨進行模態分析，且由于葉片在不同的位置所受的重力的方向不同，所以分析時均沒有加載重力。當分析葉片在風場中的模態時，葉片表面的風壓作為葉片的預應力加載在葉片上。可以利用ANSYS Workbench軟件自身的數據傳遞導入葉片受到的風壓[8]。

圖5 葉片有限元分析結果Fig.5 Result of finite-element analysis

首先對葉片本身進行了模態分析，即僅固定葉根處，不導入載荷，不考慮重力及旋轉的影響，只對葉片本身的固有頻率進行分析。如圖6所示(變形單位為m)為葉片的前10階模態和相應的頻率。從葉片的模態分析可以看出，葉片的第1階模態為揮舞振動，第2階至第6階模態為揮舞振動和擺振，第7階模態為扭轉振動，第8階模態為扭轉和揮舞振動。根據振動原理，振動過程的能量主要集中在第1階和第2階，因此葉片的振動形式主要為揮舞振動和擺振。

本文同時對葉片在風場中的模態進行分析。不考慮重力和旋轉，僅加載風壓情況下的模態和不考慮重力，加載風壓和旋轉的模態分析圖此處略[9-10]。轉速(風機工作轉速)為160 r/min。

表1為3種情況的比較。從表1中可以看出，風壓、旋轉產生的離心力、重力等會影響葉片的模態頻率，但是數據差別不是很大。在旋轉情況下，葉片的固有頻率比靜止時的固有頻率高，這是因為離心力引起的動力剛化使模態頻率增加。

在實際運行中，要避免葉片的固有頻率與風機的轉動頻率重合，以免引起共振，風機葉片和風機其他部分的固有頻率要錯開以避免產生集體共振。參考文獻[1]中提供的風機工作轉速為160 r/min，即轉動頻率為2.67 Hz，表1中最小的頻率為21.703 Hz，因此不會引起共振。

3 結 語

本文利用ANSYS Workbench軟件對葉片進行流固耦合分析，得出葉片的應力、變形、各階模態等數據，為葉片疲勞測試時應變片粘貼位置、葉片共振頻率等方面提供了依據，與通過不斷實驗得到的各種數據相比，大大縮短了時間，節約了成本，同時能為確定葉片的薄弱環節、疲勞測試提供參考，有利于葉片的優化設計，改型及研發。

圖6 葉片本身的模態分析Fig.6 Modal analysis of the blades

模態12345678葉片本身模態21.7059.6491.72156.56268.64297.23421.40448.13風場中模態(無旋轉)21.7059.6491.72156.56268.64297.23421.40448.13風場中模態(有旋轉)21.9859.8691.85156.81268.84297.35421.45448.37

實際運行中，葉片的固有頻率是整個系統耦合后的固有頻率，包括重力作用、旋轉離心力作用、風場對葉片的影響、風力機塔架對葉片的影響等等，與靜止情況下單個葉片的模態頻率有所差異，但一般頻率變化不大(從表1中也可以看出這一點)。葉片的優化設計中也應該考慮這些因素，從而使設計的模型更接近實際情況，減小設計周期。

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Fluid-solid coupling analysis of wind turbine blade based on ANSYS Workbench

ZHOU Haidong1， ZHANG Yanwei2， WANG Bochao3， PANG Wei4

(1.Equipment Manufacturing College, Hebei University of Engineering, Handan Hebei 056038, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei University of Engineering, Handan Hebei 056038, China; 3.Hebei Cangzhou Sales Branch, CNPC, Cangzhou Hebei 062450, China;4.Guandi Coal Mine, Xishan Coal Electricity Grpup Company Limited, Taiyuan Shanxi, 030022, China)

Fluid-solid coupling analysis of wind turbine is carried out by ANSYS Workbench. The wind speed, pressure, the blade's deformation, stress and strain are obtained. Modal analysis of the blade itself and the blade in wind field with or without rotation are carried out and compared. With the CFX integrated into Workbench, it is convenient for internal data transmission between multi-physics fields. The information about the wind site, the equivalent stress of the blade and the modal analysis provide reference for the optimization design and further research of the blade. The development cycle is shortened and the cost of development is cut down.

wind turbine blade; finite element; fluid-solid coupling analysis; modal analysis

1008-1534(2013)05-0314-05

TK83

A

10.7535/hbgykj.2013yx0502

2013-04-08;

2013-05-13

責任編輯：陳書欣

河北省教育廳科學研究計劃項目(2010NS07)

周海棟(1988-)，男，浙江諸暨人，碩士研究生，主要從事并聯機構尺度綜合方面的研究。

E-mail:zhouhaidong2013@163.com