水平軸風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合CFD數(shù)值模擬分析

呂 成

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

水平軸風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合CFD數(shù)值模擬分析

呂 成

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

流固耦合條件下風(fēng)力機(jī)的葉片變形及振動(dòng)分析對(duì)大型風(fēng)力機(jī)的安全具有重要意義。考慮葉片流固耦合作用時(shí)葉片所受到的持續(xù)平均氣動(dòng)力略大于未考慮葉片流固耦合作用時(shí)的情況;葉片流固耦合作用使葉片氣動(dòng)攻角、扭矩增大;而葉片攻角增大是導(dǎo)致葉片扭矩增大的主要原因。

風(fēng)力機(jī)葉片;流固耦合;數(shù)值模擬;氣動(dòng)性能;風(fēng)切變

一、引言

隨著風(fēng)力機(jī)尺寸的增加，風(fēng)輪葉片將越來(lái)越細(xì)長(zhǎng)和更具有彈性。風(fēng)力機(jī)經(jīng)常運(yùn)行于隨機(jī)變動(dòng)的自然大氣環(huán)境中，變化的載荷與柔性結(jié)構(gòu)耦合作用，使風(fēng)輪葉片變形和結(jié)構(gòu)振動(dòng)不可避免，并且可能使葉片振動(dòng)過(guò)大，或振動(dòng)失穩(wěn)，甚至導(dǎo)致疲勞破壞。為了降低風(fēng)力發(fā)電成本，許多新型葉片設(shè)計(jì)方法被提出，其研究都必須建立在葉片氣動(dòng)彈性特性的研究基礎(chǔ)上，需要考慮氣動(dòng)力、彈性力以及慣性力的耦合作用，因此，建立準(zhǔn)確的流固耦合分析方法，研究葉片氣動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)變形之間的相互作用，對(duì)葉片的設(shè)計(jì)和性能分析非常必要，具有重要的實(shí)用意義。流體域中翼型及風(fēng)力機(jī)葉片的定常和非定常氣動(dòng)特性是流固耦合特性研究的基礎(chǔ)。首先著眼于截面翼型的迎角變化，分析全方位迎角變化對(duì)翼型氣動(dòng)特性的影響，以及葉片外型的改變對(duì)截面迎角以及葉片氣動(dòng)特性的影響。翼型的振蕩運(yùn)動(dòng)引起當(dāng)?shù)赜遣粩嘧兓覐?fù)雜的運(yùn)動(dòng)可以看做是簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的疊加，因此研究了不同形式的振蕩翼型的非定常氣動(dòng)特性，為三維葉片流固耦合特性研究奠定基礎(chǔ)。對(duì)于流固耦合數(shù)值方法，弱耦合方式以其可將流體和結(jié)構(gòu)計(jì)算分別看成獨(dú)立模塊、耦合界面的網(wǎng)格不需要完全一致、可以直接利用現(xiàn)有成熟的商業(yè)流體軟件和結(jié)構(gòu)軟件等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于流固耦合特性的研究中。

二、數(shù)值模擬方法

結(jié)合定常與非定常模擬計(jì)算所使用的數(shù)值方法來(lái)模擬流固耦合中的種種力學(xué)現(xiàn)象。其中流體力學(xué)中的控制方程是必不可少的數(shù)學(xué)依據(jù)，實(shí)際上是標(biāo)量，矢量，能量等守恒定律的特殊形式。質(zhì)量守恒方程是在運(yùn)動(dòng)學(xué)層面上對(duì)流體的描述，它表述了一種古老而又基本的思想，即系統(tǒng)中的質(zhì)量不可能消失，也不可能被創(chuàng)造。而質(zhì)量的輸運(yùn)只可能來(lái)自于對(duì)流。動(dòng)量守恒方程是對(duì)粘性流體在動(dòng)力學(xué)層面上的描述。它是動(dòng)量守恒定律運(yùn)用于流體是的一種特殊形式，可由牛頓第二定律推導(dǎo)得到。

三、有限體積法

有限體積法 (FVM)在有限差分的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，同時(shí)還兼具有限元的優(yōu)點(diǎn)，有限體積法離散的基本原理是對(duì)某網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相關(guān)控制體進(jìn)行積分，得到控制體各通量的平衡關(guān)系式，方程中的各項(xiàng)均具有明確的物理意義，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)這是有限差分和有限元方法無(wú)法比擬的。所以有限體積法是目前在流動(dòng)和換熱問(wèn)題中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值方法。

四、網(wǎng)格生成

高質(zhì)量的網(wǎng)格是保證風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。因此要求網(wǎng)格有良好的正交性、長(zhǎng)寬比和延展比。從物理問(wèn)題角度出發(fā)，流動(dòng)復(fù)雜的位置處需要布置比較密集的網(wǎng)格，如葉片尖部和前后緣等附近區(qū)域。從低雷諾數(shù)湍流模型角度，要求葉片表面第一層網(wǎng)格厚度足夠小以精確模擬粘性底層以及邊界層厚度方向的流動(dòng)發(fā)展情況。此外，隨著變速變槳型風(fēng)力機(jī)的發(fā)展，不同風(fēng)速下葉片槳距角不同，手工制作各個(gè)槳距角下的葉片網(wǎng)格不僅耗時(shí)耗力，同時(shí)也不能保證網(wǎng)格的一致性。

五、湍流模型

由于風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，流場(chǎng)也不穩(wěn)定，所以選擇一個(gè)計(jì)算精度較高的湍流模型極為重要，雷諾時(shí)均方法 (RANS)通過(guò)瑞流禍粘性假設(shè) (Turbulent viscosity model)，構(gòu)造雷諾應(yīng)力的封閉模型。禍粘性假設(shè)和速度分解師RANS方法的基礎(chǔ)和來(lái)源。將瑞流中的速度分解為平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)后，帶入到Navier－stokes方程中，得到了描述平均運(yùn)動(dòng)的雷諾方程。但這時(shí)方程中會(huì)出現(xiàn)一項(xiàng)未知的應(yīng)力項(xiàng)，即雷諾應(yīng)力。由于雷諾應(yīng)力的值采用禍粘性假設(shè)來(lái)獲得，所以雷諾時(shí)均方法又被稱作湍流流粘性方法。

六、流固耦合數(shù)值模擬方法

利用CFD軟件數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中流體域和固體域分別求解，只在耦合界面上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換不是所謂的數(shù)值共享。數(shù)值共享是在同一個(gè)域中，數(shù)據(jù)交換是流體域和固體域各自計(jì)算一個(gè)物理量，相互發(fā)送。發(fā)送方網(wǎng)格上的物理量，必須轉(zhuǎn)換為基于目標(biāo)網(wǎng)格類型的數(shù)據(jù)才能傳遞。

在計(jì)算中，依據(jù)葉片的設(shè)計(jì)工況，對(duì)于外流場(chǎng)選定相應(yīng)的邊界條件對(duì)內(nèi)流場(chǎng)與葉片的交界面，在內(nèi)流場(chǎng)中設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸類型。對(duì)葉片進(jìn)行流固耦合計(jì)算之前，需要對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行定常計(jì)算，并以此作為耦合計(jì)算中流場(chǎng)的初始值，也可以以此檢驗(yàn)所得流場(chǎng)是否符合CFD計(jì)算的一般規(guī)律，從而確定整個(gè)計(jì)算是否能夠繼續(xù)進(jìn)行。

［1］ M.H.Hansen.Aeroelastic Instability Problems for Wind Turbines［J］.Wind Energy，2007;10:551－577.

［2］ Pinting Zhang，Shuhong Huang.Review of aeroelasticity for wind turbine:current status，research focus and future perspectives［J］.Front Energy，2011，5(4):419－434.

［3］楊通，楊曉紅.葉片生產(chǎn)現(xiàn)狀與風(fēng)力發(fā)電前景 ［J］.電器制造，2010，7:29－32.

The analysis of blade deformation and vibration under fluid－structure interaction is of great significance for the security of large wind turbine.The average aerodynamic force with fluid － structure interaction being taken into account is slightly higher than that without consideration of it.Aerodynamic attack angle and torque of blade increase under fluid－structure interaction.The increase of attack angle is the main reason for the increase of torque.

wind turbine blades;fluid structure coupling;numerical simulation;aerodynamic characteristics;shear wind

呂成 (1990－)，男，北京，碩士研究生，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，研究生方向:新能源及代替能源動(dòng)力技術(shù)與系統(tǒng)。