水平轴风力机叶片流固耦合CFD数值模拟分析

吕 成

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院 内蒙古 呼和浩特 010051)

水平轴风力机叶片流固耦合CFD数值模拟分析

吕 成

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院 内蒙古 呼和浩特 010051)

流固耦合条件下风力机的叶片变形及振动分析对大型风力机的安全具有重要意义。考虑叶片流固耦合作用时叶片所受到的持续平均气动力略大于未考虑叶片流固耦合作用时的情况;叶片流固耦合作用使叶片气动攻角、扭矩增大;而叶片攻角增大是导致叶片扭矩增大的主要原因。

风力机叶片;流固耦合;数值模拟;气动性能;风切变

一、引言

随着风力机尺寸的增加，风轮叶片将越来越细长和更具有弹性。风力机经常运行于随机变动的自然大气环境中，变化的载荷与柔性结构耦合作用，使风轮叶片变形和结构振动不可避免，并且可能使叶片振动过大，或振动失稳，甚至导致疲劳破坏。为了降低风力发电成本，许多新型叶片设计方法被提出，其研究都必须建立在叶片气动弹性特性的研究基础上，需要考虑气动力、弹性力以及惯性力的耦合作用，因此，建立准确的流固耦合分析方法，研究叶片气动载荷与结构变形之间的相互作用，对叶片的设计和性能分析非常必要，具有重要的实用意义。流体域中翼型及风力机叶片的定常和非定常气动特性是流固耦合特性研究的基础。首先着眼于截面翼型的迎角变化，分析全方位迎角变化对翼型气动特性的影响，以及叶片外型的改变对截面迎角以及叶片气动特性的影响。翼型的振荡运动引起当地迎角不断变化，而且复杂的运动可以看做是简单运动的叠加，因此研究了不同形式的振荡翼型的非定常气动特性，为三维叶片流固耦合特性研究奠定基础。对于流固耦合数值方法，弱耦合方式以其可将流体和结构计算分别看成独立模块、耦合界面的网格不需要完全一致、可以直接利用现有成熟的商业流体软件和结构软件等特点，被广泛应用于流固耦合特性的研究中。

二、数值模拟方法

结合定常与非定常模拟计算所使用的数值方法来模拟流固耦合中的种种力学现象。其中流体力学中的控制方程是必不可少的数学依据，实际上是标量，矢量，能量等守恒定律的特殊形式。质量守恒方程是在运动学层面上对流体的描述，它表述了一种古老而又基本的思想，即系统中的质量不可能消失，也不可能被创造。而质量的输运只可能来自于对流。动量守恒方程是对粘性流体在动力学层面上的描述。它是动量守恒定律运用于流体是的一种特殊形式，可由牛顿第二定律推导得到。

三、有限体积法

有限体积法 (FVM)在有限差分的基础上发展而来，同时还兼具有限元的优点，有限体积法离散的基本原理是对某网格节点相关控制体进行积分，得到控制体各通量的平衡关系式，方程中的各项均具有明确的物理意义，这个优点这是有限差分和有限元方法无法比拟的。所以有限体积法是目前在流动和换热问题中应用最广泛的数值方法。

四、网格生成

高质量的网格是保证风力机气动性能计算结果准确性的关键。因此要求网格有良好的正交性、长宽比和延展比。从物理问题角度出发，流动复杂的位置处需要布置比较密集的网格，如叶片尖部和前后缘等附近区域。从低雷诺数湍流模型角度，要求叶片表面第一层网格厚度足够小以精确模拟粘性底层以及边界层厚度方向的流动发展情况。此外，随着变速变桨型风力机的发展，不同风速下叶片桨距角不同，手工制作各个桨距角下的叶片网格不仅耗时耗力，同时也不能保证网格的一致性。

五、湍流模型

由于风力机运行环境复杂多变，流场也不稳定，所以选择一个计算精度较高的湍流模型极为重要，雷诺时均方法 (RANS)通过瑞流祸粘性假设 (Turbulent viscosity model)，构造雷诺应力的封闭模型。祸粘性假设和速度分解师RANS方法的基础和来源。将瑞流中的速度分解为平均运动和脉动后，带入到Navier－stokes方程中，得到了描述平均运动的雷诺方程。但这时方程中会出现一项未知的应力项，即雷诺应力。由于雷诺应力的值采用祸粘性假设来获得，所以雷诺时均方法又被称作湍流流粘性方法。

六、流固耦合数值模拟方法

利用CFD软件数据传递过程中流体域和固体域分别求解，只在耦合界面上进行数据交换。数据交换不是所谓的数值共享。数值共享是在同一个域中，数据交换是流体域和固体域各自计算一个物理量，相互发送。发送方网格上的物理量，必须转换为基于目标网格类型的数据才能传递。

在计算中，依据叶片的设计工况，对于外流场选定相应的边界条件对内流场与叶片的交界面，在内流场中设定数据传输类型。对叶片进行流固耦合计算之前，需要对整个流场进行定常计算，并以此作为耦合计算中流场的初始值，也可以以此检验所得流场是否符合CFD计算的一般规律，从而确定整个计算是否能够继续进行。

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［3］杨通，杨晓红.叶片生产现状与风力发电前景 ［J］.电器制造，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

吕成 (1990－)，男，北京，硕士研究生，内蒙古工业大学能源与动力工程学院，研究生方向:新能源及代替能源动力技术与系统。