水平軸風力機葉片流固耦合CFD數值模擬分析

呂 成

(內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院 內蒙古 呼和浩特 010051)

水平軸風力機葉片流固耦合CFD數值模擬分析

呂 成

(內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院 內蒙古 呼和浩特 010051)

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

風力機葉片;流固耦合;數值模擬;氣動性能;風切變

一、引言

隨著風力機尺寸的增加，風輪葉片將越來越細長和更具有彈性。風力機經常運行于隨機變動的自然大氣環(huán)境中，變化的載荷與柔性結構耦合作用，使風輪葉片變形和結構振動不可避免，并且可能使葉片振動過大，或振動失穩(wěn)，甚至導致疲勞破壞。為了降低風力發(fā)電成本，許多新型葉片設計方法被提出，其研究都必須建立在葉片氣動彈性特性的研究基礎上，需要考慮氣動力、彈性力以及慣性力的耦合作用，因此，建立準確的流固耦合分析方法，研究葉片氣動載荷與結構變形之間的相互作用，對葉片的設計和性能分析非常必要，具有重要的實用意義。流體域中翼型及風力機葉片的定常和非定常氣動特性是流固耦合特性研究的基礎。首先著眼于截面翼型的迎角變化，分析全方位迎角變化對翼型氣動特性的影響，以及葉片外型的改變對截面迎角以及葉片氣動特性的影響。翼型的振蕩運動引起當地迎角不斷變化，而且復雜的運動可以看做是簡單運動的疊加，因此研究了不同形式的振蕩翼型的非定常氣動特性，為三維葉片流固耦合特性研究奠定基礎。對于流固耦合數值方法，弱耦合方式以其可將流體和結構計算分別看成獨立模塊、耦合界面的網格不需要完全一致、可以直接利用現有成熟的商業(yè)流體軟件和結構軟件等特點，被廣泛應用于流固耦合特性的研究中。

二、數值模擬方法

結合定常與非定常模擬計算所使用的數值方法來模擬流固耦合中的種種力學現象。其中流體力學中的控制方程是必不可少的數學依據，實際上是標量，矢量，能量等守恒定律的特殊形式。質量守恒方程是在運動學層面上對流體的描述，它表述了一種古老而又基本的思想，即系統(tǒng)中的質量不可能消失，也不可能被創(chuàng)造。而質量的輸運只可能來自于對流。動量守恒方程是對粘性流體在動力學層面上的描述。它是動量守恒定律運用于流體是的一種特殊形式，可由牛頓第二定律推導得到。

三、有限體積法

有限體積法 (FVM)在有限差分的基礎上發(fā)展而來，同時還兼具有限元的優(yōu)點，有限體積法離散的基本原理是對某網格節(jié)點相關控制體進行積分，得到控制體各通量的平衡關系式，方程中的各項均具有明確的物理意義，這個優(yōu)點這是有限差分和有限元方法無法比擬的。所以有限體積法是目前在流動和換熱問題中應用最廣泛的數值方法。

四、網格生成

高質量的網格是保證風力機氣動性能計算結果準確性的關鍵。因此要求網格有良好的正交性、長寬比和延展比。從物理問題角度出發(fā)，流動復雜的位置處需要布置比較密集的網格，如葉片尖部和前后緣等附近區(qū)域。從低雷諾數湍流模型角度，要求葉片表面第一層網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發(fā)展情況。此外，隨著變速變槳型風力機的發(fā)展，不同風速下葉片槳距角不同，手工制作各個槳距角下的葉片網格不僅耗時耗力，同時也不能保證網格的一致性。

五、湍流模型

由于風力機運行環(huán)境復雜多變，流場也不穩(wěn)定，所以選擇一個計算精度較高的湍流模型極為重要，雷諾時均方法 (RANS)通過瑞流禍粘性假設 (Turbulent viscosity model)，構造雷諾應力的封閉模型。禍粘性假設和速度分解師RANS方法的基礎和來源。將瑞流中的速度分解為平均運動和脈動后，帶入到Navier－stokes方程中，得到了描述平均運動的雷諾方程。但這時方程中會出現一項未知的應力項，即雷諾應力。由于雷諾應力的值采用禍粘性假設來獲得，所以雷諾時均方法又被稱作湍流流粘性方法。

六、流固耦合數值模擬方法

利用CFD軟件數據傳遞過程中流體域和固體域分別求解，只在耦合界面上進行數據交換。數據交換不是所謂的數值共享。數值共享是在同一個域中，數據交換是流體域和固體域各自計算一個物理量，相互發(fā)送。發(fā)送方網格上的物理量，必須轉換為基于目標網格類型的數據才能傳遞。

在計算中，依據葉片的設計工況，對于外流場選定相應的邊界條件對內流場與葉片的交界面，在內流場中設定數據傳輸類型。對葉片進行流固耦合計算之前，需要對整個流場進行定常計算，并以此作為耦合計算中流場的初始值，也可以以此檢驗所得流場是否符合CFD計算的一般規(guī)律，從而確定整個計算是否能夠繼續(xù)進行。

［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.葉片生產現狀與風力發(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，內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，研究生方向:新能源及代替能源動力技術與系統(tǒng)。