風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合數(shù)值模擬.pdf

1、為了從風(fēng)中汲取更多的風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)大型化是必然趨勢(shì)。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)，更具柔性。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。此外，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、可靠的風(fēng)力機(jī)

2、葉片流固耦合分析方法，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，具有重要的工程實(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

3、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。因此，本文采用弱耦合方式，連接商用CFD與CSD軟件，建立流固耦合數(shù)值模擬方法，以標(biāo)準(zhǔn)算例AGARD445.6機(jī)翼為例，通過(guò)機(jī)翼顫振邊界的計(jì)算確認(rèn)了流固耦合方法。在此基礎(chǔ)上，以三葉片2.5MW上風(fēng)

4、向風(fēng)力機(jī)DF90為研究對(duì)象，研究了不同風(fēng)速下葉片的流固耦合特性，分析了葉片變形與載荷及分布的相互影響機(jī)理，結(jié)果顯示:流固耦合計(jì)算的各項(xiàng)性能參數(shù)均呈周期性震蕩，震蕩幅值隨時(shí)間快速減小，收斂到穩(wěn)定值;當(dāng)來(lái)流低于額定風(fēng)速時(shí)，考慮流固耦合對(duì)功率值的影響較小，超過(guò)額定風(fēng)速后，流固耦合計(jì)算的功率值有明顯的降低。軸向推力與其保持相同的變化規(guī)律。流固耦合作用改變當(dāng)?shù)嘏そ牵绊懡孛鎵毫Ψ植?，從而影響整個(gè)葉片的載荷分布;葉片在揮舞、擺振和展向三個(gè)方向的變形

5、均呈現(xiàn)出一階振動(dòng)形態(tài)，從葉根到葉尖逐漸增大，其中，揮舞變形最為顯著。高風(fēng)速下?lián)]舞變形減小，而擺振方向變形隨風(fēng)速增大而增大，扭轉(zhuǎn)變形在高風(fēng)速明顯增大。應(yīng)力主要集中在中葉展附近，沿弦向應(yīng)力主要集中在最大厚度位置附近。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在額定風(fēng)速下。
　　進(jìn)一步研究了不同輪轂風(fēng)速下風(fēng)切變對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)彈性特性的影響規(guī)律。對(duì)比分析了風(fēng)速、風(fēng)切變以及切變和葉片變形的疊加效應(yīng)對(duì)風(fēng)輪流固耦合特性的影響機(jī)理，結(jié)果顯示:切變來(lái)流的影響:切變使來(lái)流風(fēng)速均值減

6、小，是導(dǎo)致載荷降低的原因之一;整個(gè)風(fēng)輪的氣彈載荷仍然顯示出3p波動(dòng);單個(gè)葉片載荷和流動(dòng)參數(shù)隨方位角呈近似余弦函數(shù)型式的周期性波動(dòng)，在整個(gè)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)呈上下不對(duì)稱式分布;耦合的影響:風(fēng)輪載荷和葉片變形呈周期性震蕩，但耦合作用對(duì)風(fēng)輪整體載荷及其振幅影響較小;耦合作用使內(nèi)葉展扭角減小，載荷增加;外葉展扭角增大，載荷減小，從而減小了軸向載荷極值;風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，葉片載荷極值方位角與風(fēng)速極值方位角不對(duì)應(yīng):在內(nèi)葉展，滯后于風(fēng)速極值方位角;在外葉展