成 誠，程筱勝，戴 寧

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

風(fēng)力機(jī)葉片單向流固耦合分析

成 誠，程筱勝，戴 寧

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片在指定的流場(chǎng)壓力場(chǎng)下的變形提出一種新的分析方法。利用多重參考系模型，研究葉片表面的受力和葉片周圍流場(chǎng)的變化，對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片進(jìn)行單向流固耦合分析。葉片在12m/s風(fēng)速下的數(shù)值模擬結(jié)果顯示葉尖部分壓力最大。該方法既能真實(shí)模擬葉片運(yùn)行時(shí)的狀況，又能節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高效率。

ANSYS Workbench；FLUENT；流固耦合；風(fēng)力機(jī)葉片

對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上工程學(xué)科(物理場(chǎng))間相互作用的分析，就是耦合場(chǎng)的分析。類似結(jié)構(gòu)與流體的耦合分析，即流固耦合(Fluid Structure Interaction)，流體流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力作用于結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生形變[1]。流體流動(dòng)的環(huán)境將由結(jié)構(gòu)變形的影響決定，所以其為交互式的問題。

目前在工程學(xué)科，模擬的耦合場(chǎng)更多地用來分析實(shí)際問題，特別是在流體力學(xué)領(lǐng)域，如風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)葉片變形、水流中水輪機(jī)葉片的變形情況等。

由于軟件的開發(fā)水平有限，很多軟件還不能夠進(jìn)行多物理場(chǎng)的耦合，只能模擬單一的物理場(chǎng)。國內(nèi)的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)常常會(huì)開發(fā)某些專業(yè)軟件，將其應(yīng)用于一個(gè)物理模型的多場(chǎng)耦合分析的研究，如ANSYS和FLUENT的相關(guān)程序接口的二次開發(fā)[2]。該方法可以解決不同軟件之間數(shù)據(jù)交換的問題，但這種方法需要消耗大量的時(shí)間，同時(shí)也要求軟件開發(fā)商有足夠的編程水平，因此開發(fā)的程序，也往往是他們?yōu)樽约核芯康念I(lǐng)域設(shè)計(jì)的,要想繼續(xù)推廣，存在著很大的局限性[3]。

國內(nèi)在這方面的研究資料十分稀缺，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)流固耦合分析的軟件和方法有很多,但仍然受到了方方面面因素的制約[1]。本文以1.5MW水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片在風(fēng)場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)的某一瞬時(shí)狀態(tài)為例,介紹單向流固耦合(FSI)分析方法是如何通過ANSYS Workbench實(shí)現(xiàn)的[2]。

1 流固耦合方法

風(fēng)力機(jī)工作時(shí)，空氣和風(fēng)力機(jī)葉片之間的作用關(guān)系是相互的。風(fēng)力機(jī)葉片在表面受到壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，而在風(fēng)力機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，這種變形會(huì)被放大[1]。對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)，變形過程中的風(fēng)力機(jī)葉片又會(huì)反過來產(chǎn)生某種特定的影響。運(yùn)用單向流固耦合的分析方法，能夠研究在氣流瞬時(shí)變化下，風(fēng)力機(jī)葉片所產(chǎn)生的影響，即按照一定的順序，求解2個(gè)物理場(chǎng)，然后將兩物理場(chǎng)之間邊界上的結(jié)果，應(yīng)用于一個(gè)物理場(chǎng)，作為邊界條件并迭代求解另一個(gè)物理場(chǎng)[1]。

首先，使用三維建模軟件，建立風(fēng)力機(jī)葉片三維模型。將葉片模型導(dǎo)入CFD軟件，建立葉片的外流場(chǎng)，并劃分網(wǎng)格[4]。CFD軟件分析計(jì)算后得到葉片表面壓力，將壓力值作為初始條件輸入FEA軟件，分析計(jì)算后可得到風(fēng)力機(jī)葉片的外形變化?；玖鞒倘鐖D1所示。

圖1 流固耦合方法流程圖

2 三維建模

本文利用CAD軟件Pro/E建立風(fēng)力機(jī)葉片的三維實(shí)體模型。Pro/E為確保用戶可以按照本人的需求進(jìn)行應(yīng)用，將所有功能分為草圖繪制模塊、零件制作模塊、裝配設(shè)計(jì)模塊、鈑金設(shè)計(jì)模塊、加工處理模塊等[5]。

Pro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，通常采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型[3]。這種面向工程設(shè)計(jì)的功能特性充分考慮了方便性和機(jī)動(dòng)性[6]。本文采用Pro/E的原因是其強(qiáng)大的曲面造型功能，邊界混合是主要的使用功能之一[7]。建立完成的葉片實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 葉片實(shí)體模型

3 流場(chǎng)分析計(jì)算

3.1建立計(jì)算流域并劃分網(wǎng)格

根據(jù)葉片實(shí)體在Pro/E繪制模型，設(shè)置流體范圍中的區(qū)域并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在計(jì)算外流場(chǎng)時(shí)，因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)非常巨大，所以往往所設(shè)置計(jì)算域的范圍是葉片尺寸的數(shù)倍。為了減少網(wǎng)格數(shù)量，整個(gè)計(jì)算過程采用單流道計(jì)算,以減少對(duì)計(jì)算機(jī)資源的需求[8]。因?yàn)槿~輪是三葉片的，根據(jù)對(duì)稱性，取葉輪的三分之一，即對(duì)單一葉片進(jìn)行分析。計(jì)算流域如圖3所示。

圖3 計(jì)算流域

由于葉片尺寸非常大，為了避免過大周向速度存在于計(jì)算域的外邊界上，讓計(jì)算更易收斂，便不會(huì)將整個(gè)計(jì)算流域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)流域，因此整個(gè)計(jì)算域在用FLUENT計(jì)算數(shù)值前，將會(huì)被分為內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域兩個(gè)部分，而內(nèi)區(qū)域?qū)?huì)被設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，interface面被設(shè)置在兩個(gè)區(qū)域之間傳遞數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)流域如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)流域

3.2計(jì)算模型選擇

對(duì)于建立多個(gè)對(duì)象之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)模型，顯然不能依靠簡單地轉(zhuǎn)變參考坐標(biāo)系，如攪拌桶內(nèi)攪拌輪具有兩種以上不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的葉輪機(jī)械干擾問題，不管如何設(shè)置參考系統(tǒng)，遇到的固體邊界問題都將隨時(shí)間變化。FLUENT中用于這類問題的計(jì)算模型包括多重參考系模型(Multiple Reference Frame，MRF)、混合面模型(Mixing Plane)、滑移網(wǎng)格模型(Sliding Mesh)技術(shù)[9]。MRF模型和混合面模型用于定常流動(dòng)的計(jì)算，其中MRF模型是最簡單的，也是最經(jīng)濟(jì)的模型。

MRF模型是每個(gè)區(qū)域中不同旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)速度的穩(wěn)態(tài)近似。當(dāng)邊界地區(qū)的流動(dòng)區(qū)域幾乎均勻混合時(shí)，這種方法更適合。顯然，近似的MRF的多重參考模型不能應(yīng)用于大量的非定常流動(dòng)。例如，轉(zhuǎn)子和定子之間交互作用相對(duì)較弱的葉輪機(jī)械可以使用MRF模型。葉片間的作用相對(duì)較弱，而混合計(jì)算域內(nèi)因?yàn)闆]有大范圍的瞬態(tài)效應(yīng)則可以使用MRF模型[10]。另一個(gè)MRF模型計(jì)算流場(chǎng)的潛在用法是可以將其求解的結(jié)果作為使用瞬態(tài)滑動(dòng)網(wǎng)格模型(Sliding Mesh)的初始流場(chǎng)[10]。

在使用MRF模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，整個(gè)計(jì)算域被分成多個(gè)小的子域。每個(gè)子域可以有自己的運(yùn)動(dòng)方式，或靜止或旋轉(zhuǎn)或平移。通過控制方程求解每個(gè)子域流動(dòng)速度，則邊界區(qū)域的交換信息即為每個(gè)子域中子域流場(chǎng)的絕對(duì)速度信息[11]。如果網(wǎng)格界面規(guī)則，即網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)接口對(duì)稱分布在界面區(qū)的兩側(cè)，則網(wǎng)格劃分方法為常規(guī)方法。如果網(wǎng)格界面是不規(guī)范的，即在交界面兩側(cè)的界面區(qū)域是不一樣的，例如一邊是三角形網(wǎng)格，另一邊是四邊形網(wǎng)格，而重合區(qū)域的兩側(cè)，分別屬于不同的區(qū)域，則訊息通過插值彼此傳輸。

3.3結(jié)果輸出

通過相應(yīng)的設(shè)置，即可運(yùn)行FLUENT進(jìn)行運(yùn)算。風(fēng)速為12m/s，可以得到葉片迎風(fēng)面壓力和葉片背風(fēng)面壓力分布，如圖5所示。

圖5 迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力分布

4 結(jié)構(gòu)靜力分析

4.1材料屬性設(shè)置

葉片所用材料不均勻，并具有正交各向異性，所以建立模型有一定的難度，這是由于其內(nèi)部各材料的密度ρ、彈性模量E和泊松比μ均不一致。雖然復(fù)合材料的各組成材料剛度的簡單代數(shù)和并不能代表整體剛度，即EI≠∑EiI，其中I為慣性矩,但實(shí)際工程中，層間約束對(duì)剛度的影響極為微弱，所以可忽略層間約束，因此仍然按照材料力學(xué)的方法，即EI=∑EiI處理葉片材料特性計(jì)算。葉片模型即可經(jīng)過等量密度ρd、等量模量Ed和等量泊松比μd來建立。

屬于正交各向異性的復(fù)合材料的材料特性，需要建立3個(gè)互相垂直的主方向，每個(gè)方向材料常數(shù)各不相同，這和一般的各向同性材料是不同的。根據(jù)正交各向異性材料屬性設(shè)置的方法，設(shè)置各材料常數(shù)，使其滿足復(fù)合材料的模型要求，即分別將x向、y向和z向設(shè)置為材料2方向、材料3方向和材料1方向的彈性常數(shù)。

4.2葉片網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格不能太稀疏或密集，否則對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間會(huì)有很大的影響。網(wǎng)格劃分過密，能夠提高計(jì)算精度，但同時(shí)會(huì)大大增加計(jì)算時(shí)間；反之，若網(wǎng)格劃分過疏，則會(huì)降低計(jì)算精度，更有可能與實(shí)際情況產(chǎn)生相當(dāng)大的差距。如果劃分自由網(wǎng)格，對(duì)實(shí)體的形狀沒有任何限制，也不用依據(jù)任何模式，非常適合于劃分復(fù)雜的曲面和體。因此對(duì)于葉片這種不規(guī)則的具有高度扭曲表面的實(shí)體，對(duì)其進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，最后得到17 131個(gè)單元和16 813個(gè)節(jié)點(diǎn)。MaxSkewness值為0.86，符合精度要求。劃分網(wǎng)格后的模型如圖6所示。

圖6 葉片劃分網(wǎng)格后的效果圖

4.3邊界條件的確定

邊界條件即進(jìn)行分析計(jì)算的初始條件，包括模型的約束條件和載荷情況。本文研究的重點(diǎn)是通過數(shù)值分析方法計(jì)算葉片表面壓力并映射到結(jié)構(gòu)的靜力分析模型，充分模擬實(shí)際工況下葉片受風(fēng)作用的效果。映射后的效果如圖7所示。

圖7 映射后的壓力分布

4.4計(jì)算結(jié)果分析

利用ANSYS軟件分析計(jì)算，在風(fēng)速12m/s情況下風(fēng)力機(jī)葉片的變形狀況如圖8所示。圖中風(fēng)力機(jī)在額定速度下旋轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)受風(fēng)場(chǎng)的影響能夠明顯看出來。在變形區(qū)域放大的情況下，葉片顯示出較為明顯的變形，變形的趨勢(shì)與在風(fēng)場(chǎng)中所受到的葉片表面壓力分布是基本吻合的，葉尖部分的變形最大，越靠近葉根處，變形越小。在變形量最大的葉尖處，葉片的材料最薄，且相對(duì)于葉根處的約束部分最遠(yuǎn)。

圖8 葉片變形圖

根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。對(duì)葉片添加筋板為主要的優(yōu)化手段，在使葉片結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度得到有效提高的同時(shí)，還能有效提高該風(fēng)力機(jī)風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率。

5 結(jié)束語

在葉片表面利用靜態(tài)分析模塊計(jì)算瞬態(tài)壓力分布，是實(shí)現(xiàn)流固耦合的最大難題。本文有效解決了該難題，在不改變初始條件的前提下，使模擬的應(yīng)力值和變形狀態(tài)更加精確，更加趨近于實(shí)際狀況。該方法不僅操作簡單方便，而且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。在研究類似于水泵、壓縮機(jī)、風(fēng)扇、吹風(fēng)機(jī)、渦輪、膨脹器、渦輪增壓器和鼓風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片的單向流固耦合問題時(shí)，該方法都是適用的。

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Thecouplinganalysisonfluid-solidinteractionofwindturbineblade

CHENG Cheng, CHENG Xiaosheng, DAI Ning

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

It presents a new method for analyzing the deformation of wind turbine blade in particular flow field and pressure field. With the multiple reference frame model, this paper researches the pressure distributions on blade surface and the changes of the surrounding flow field, analyzes coupling characteristic fluid-solid interaction of wind turbine blade, provides numerical simulation result for the most pressure on blade tip in 12m/s wind. This method can not only simulate the situation of blade runtime realistically, but also reduce the calculation time and increase efficiency.

ANSYS workbench; FLUENT; fluid-solid interaction; wind turbine blade

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.11.007

2014-10-11

成誠(1988—)，男，江蘇泰興人，南京航空航天大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化醫(yī)療裝備技術(shù)。

TK83

A

2095-509X(2014)11-0028-04