? 2.0MW风力发电机叶片的流固耦合分析起雪梅，张敬东 （攀枝花学院交通与汽车工程学院，四川攀枝花 617000） 摘要：利用Profili翼型软件和UG获得了2.0MW风力发电机叶片的三维模型，并将叶片模型导入ANSYS Workbench进行流固耦合分析，得到叶片在流场中应力、应变和变形等有限元分析结果。通过结果分析，得出叶片最大应力在叶根处附近，最大变形量发生在叶尖处，叶片在流固耦合条件下，其主要变形集中在靠近叶梢的中上部，且越向叶梢变形越大，并成非线性分布。这些分析结果为叶片的优化设计及研发工作提供了相关数据，从而减少了产品开发周期，降低了开发成本。 关键词：2.0 MW；风机叶片；流固耦合分析；ANSYS Workbench 随着煤、石油等化石燃料储藏量的日益减少和对环境保护要求的进一步提高，近年来风力发电技术发展尤为迅速，风机单机容量从最初几千瓦到今天的数兆瓦，规格在迅速增大[1]。叶片作为风力发电机的关键部件之一，与轮毂组成的风轮是风力发电机的能量捕获机构，将风能转变为机械能，与此同时，叶片又是风力发电机力源，主要承载部件，对整个风力发电机安全运行起着关键作用[2]。因此，对风力发电机叶片的设计，以及应力应变及其变形的分析极其重要，而这些结果主要通过有限元分析软件获得。而ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，以有限元分析为基础的大型通用CAE软件[3]。本文应用数值仿真的方法，对风机叶片的流场进行模拟, 得出风机叶片上的风压分布，利用此结果进行流固耦合分析，得出风机叶片的应力应变和变形量分布，找出了其最大应力、应变和变形发生部位，并对以后风机叶片的改进和结构设计提供了一定参考依据。 1 数学模型的建立1.1 计算方法 流固耦合分析方法遵循着最基本的守恒原则，即在流固耦合交界面处满足流体与固体应力τ、位移d、热流量q、温度T等变量的相等或守恒，满足的方程如下[4]：  （1）以上就是在进行流固耦合分析时遵循的守恒方程，也可以通过设定所需参数、对应的初始条件、边界条件等对该方程的一般形式进行求解。 本文采用ANSYS Workbench 14.0有限元软件进行风力发电机叶片的流固耦合分析，因为ANSYS已将CFD软件CFX整合到了ANSYS Workbench中，流固耦合分析数据传递不需要借助接口软件，避免了数据传递的繁杂过程和数据丢失现象，从而使分析结果更加精确，与实际情况更接近[5]。 1.2 几何模型 叶片的设计主要包括叶片数、叶片直径、翼型、转速和弦长等参数的确定，针对本文的2.0 MW风力发电机叶片的要求，选取风机叶片翼型为NACA4424，其中翼型数据可通过profili专业翼型设计软件得到，通过坐标变换得到风力发电机的空间坐标点，然后在UG中对得到的10个截面离散点进行拟合，在生成各个截面的样条曲线后，在UG中通过曲线组扫掠方法形成的三维实体模型，扫掠形成的叶片三维实体模型如图1所示[6]。 1.3 计算模型 流固耦合模拟中的几何模型非常复杂，需要流体模型和固体模型同时存在，并且在流体计算域中不能含有固体模型，在固体域中不能存在流体模型。把风作为黏性不可压缩流体处理，并设风机叶片表面无滑移、无渗透，使得流体的运动有旋，且风机叶片与风场在耦合面上的速度压力均相等[7]。因此，流场分析可以分为两部分，一部分为包围风轮且几何尺寸接近风轮的旋转域流场其转速与风轮转速相同。另一部分为包围旋转域的静止域，静止域表示风机周围的空气，其速度即为风速。静止域用长方体表示，静止域流场的几何尺寸一般取旋转域的数倍甚至数十倍，这主要根据计算结果与实验对比进行修改。 本文旋转域模型外径为φ1＝90 m，内径为φ2＝2 m，厚度为z方向上6 m，如图2所示。由于静止域流场和旋转域流场在接触部分尺寸信息要一致。本文将静止域流场模型外部轮廓的长宽高分别设定为400 m、300 m和300 m，如图3所示。  图1 叶片三维实体模型 1.4 有限元模型 网格划分是进行流固耦合分析的基础，网格质量的高低对计算结果的影响十分显著，在进行数值模拟之前应尽可能提高计算网格的质量。用于三维流体数值分析的网格类型主要有四面体网格和六面体网格。本文借助ANSYS Workbench 14.0平台中的Mesh模块进行网格划分与网格处理，对旋转域采用四面体网格划分的方法，生成的旋转域网格如图4所示。由于静止域流场是几何形状简单的长方体，本文采用专业网格划分软件ICEM CFD对静止域进行六面体网格划分的方法，生成的静止域网格如图5所示。  图2 旋转域流场  图3 静止域流场 2 边界条件的确定本文的叶片材料采用环氧玻璃钢，密度ρ＝2000 kg/m3，弹性模量E＝193 GPa，泊松比μ＝0.15。在进行流固耦合边界条件的设定时主要是对计算模型进行求解设置和加载数据进行求解。本文将静止域和旋转域流体材料都设定为25℃空气，参考压力为一个标准大气压，设定旋转域的旋转速度为15.7 r/min，该速度即为风力发电机输入轴的转速。在静止域中设定空气入口条件，边界类型为inlet，风速为额定风速14 m/s，空气出口的条件边界类型为outlet，相对压力为0 Pa。完成边界设置的计算域模型如图6所示。  图4 旋转域网格划分  图5 静止域网格如图  图6 计算域模型 在进行求解设置时主要控制求解的迭代次数、求解精度及收敛情况。流固耦合属于非线性问题，一般进行耦合计算都是比较费时费力的，计算量大，对计算机的要求比较高。初步给出的迭代步数最大为500步，最大耦合次数为10次，在收敛控制方面设置残差控制目标为1E-4仅作参考比较，最终的收敛控制曲线如图7所示。  图7 收敛控制曲线 3 计算结果在ANSYS Workbench14.0中对叶片进行前处理后，然后双击树形窗中的bladehub，在变量选项中选择pressure进行压力查看，得到风机叶片上的压力分布图，如图8所示 可以看出，风轮三个叶片所受的压力大小几乎相同，压力值有正有负，迎风面的压力值为正，背风面的压力值为负，以Y方向为正值，-Y方向为负值。迎风面的最大压力值的绝对值要小于背风面最大压力值的绝对值，这与实际工况相符。叶片的压力分布与空气流场和叶片几何参数有关，单个叶片的最大压力分布在靠近叶尖的地方，叶片迎风面的最大压力值为4612 Pa，背风面最大压力值绝对值为5150 Pa，这两个压力值的叠加即为单个叶片的最大压力，约为9762 Pa。 叶片迎风面和背风面下半边缘的压力要大于上半边缘的压力，因此在叶片旋转方向上的合力不为0。也正是这个作用效果使风力发电机产生转动。 将流场分析的结果数据传送到静力学分析模块进行静力学分析，在进行静力学分析时将流场部分抑制。将流体分析得到的压力结果加载到风机叶片耦合边界上，叶片的压力云图如图9所示。从图9中可以看出，叶片中间部分的应力要大于两边缘的应力，这是由于叶片的安装角为0°，空气对叶片的作用使叶片在叶厚方向上产生一个弯矩，该弯矩使叶片迎风面受拉应力，背风面受压应力，且在风轮半径相同的位置，拉应力比压应力更大一些。叶片的最大应力并没有出现在叶片根部位，而是在离叶片根部且叶片截面形状发生急剧变化的部位，这是由于叶片根部受的弯矩虽然最大，但是靠近叶片根部的叶片截面刚度较大，所以应力不是最大；而在叶片形状发生急剧变化的位置，尽管此处的弯矩有一定下降，但是此处叶片截面的刚度下降的幅度比弯矩下降的幅度要更大，所以最大应力出现在该位置处。  （a）迎风面压力云图  （b）背风面压力云图  （c）单个叶片压力分布云图 图8 叶片压力分布云图 图10为叶片的变形分析结果，从图10中可以看出，最大变形位置发生在叶尖，且随着风轮半径的减小，变形也在减小，从叶尖到叶根呈梯度分布，最大变形量为0.67235 m，而叶片的总长度为47 m，变形量仅占叶片长度的1.43%，这对叶片的工作产生的影响微乎其微。 （a）迎风面压力分布图 （b）背风面应力分布图 图9 叶片应力分布图 （a）迎风面 （b）背风面 图10 叶片变形分布图 4 结论本文利用Profili专业翼型设计软件得到2.0 MW风力发电机叶片的翼型，在三维建模软件UG中对叶片实现了三维模型的建立。然后利用ANSYS Workbench软件对叶片进行流固耦合分析，利用流固耦合方法对风机叶片进行数值仿真分析，得出以下结论： （1）ANSYS Workbench 14.0中的CFD的接口软件使分析结果更加精确模拟出风机叶片上的流域风压分布。 （2）叶片迎风面和背风面的压力不等，使叶片在旋转方向上的合力不为0，也正是这个作用效果使风力发电机产生转动。 （3）通过分析得出了风机叶片的最大应力在叶根处附近, 最大变形量发生在叶尖处；叶片在流固耦合条件下，其主要变形集中在靠近叶梢的中上部，且越向叶梢变形越大，并成非线性分布。 （4）通过数值仿真得到叶片的应力和变形值，节省了通过大量试验得到或者无法得到数据的时间；也为以后进行模态分析和结构改进提供了一定参考依据。 参考文献： [1]张耀祖，侯力，徐韡，刘恒，蒲宗珉. 兆瓦级风电齿轮增速箱箱体有限元分析[J]. 机械设计与制造，2013（11）：105-108. [2]胡燕平，戴巨川，刘德顺. 大型风力发电机叶片研究现状与发展趋势[J]. 机械工程学报，2013，49（20）：140-150. [3]张军，武美萍. 大型风力发电机叶片有限元建模研究[J]. 机械设计与制造工程，2013，42（4）：24-27 [4]宋学官，蔡林，张华. ANSYS流固耦合分析与工程实例[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012. [5]周海栋，张艳伟，王博超，庞伟. 基于ANSYS Workbench的风力发电机流固耦合分析[J]. 河北工业科技，2013，30（5）：314-318. [6]邵帅. 1.5MW风力发电机塔筒及叶片动态特性分析[D]. 沈阳工业大学，2012. [7]陈海萍，孙文磊，郭健. 风力发电机叶片的流固耦合分析[J].机床与液压，2011，38（19）：79-82. Fluid-solid Coupling Analysis of 2.0MW Wind Turbine BladeQI Xuemei，ZHANG Jingdong ( School of Transportation and Automobile Engineering, Panzhihua University, Panzhihua617000,China ) Abstract：Using airfoil profile software and UG software，the 3D model of 2.0 MW wind turbine blade is obtained, the fluid-solid coupling Analysis of 2.0 MW wind turbine blade is carried out by ANSYS Workbench, and the stress, strain and deformation results of blades are obtained. By analyzing the results, it is concluded that the maximum stress of blade appears near the blade root, the maximum deformation appears at the blade tip. Under the condition of fluid-solid, the main deformation concentrates in near the upper of the blade tip, and the deformation of blade tip is bigger and bigger. These analysis results can provide the related data for blade optimization design and research, thereby reducing the product research cycle and the cost of development. Key words：2.0MW；wind turbine blade；fluid-solid coupling analysis；ANSYS Workbench 中图分类号：O242.21 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2017.04.014 文章编号：1006－0316 (2017) 04－0058－05 收稿日期：2016－10－11 作者简介：起雪梅（1981－），女，四川攀枝花人，工学硕士，副教授，主要研究方向为数字化设计与制造；张敬东（1968－），男，四川阆中人，工学硕士，教授，主要研究方向为数字化设计与制造。 |
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