文|楊柳，汪建文，馬劍龍，魏海姣，張彥奇，李佩林

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于開放的隨機(jī)變化的自然大氣環(huán)境中，葉片是風(fēng)電機(jī)組中受力最復(fù)雜的部件，其在不停地做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，各種激振力幾乎都是通過(guò)葉片方向傳遞出去的。尤其是對(duì)于展向長(zhǎng)、弦向短的細(xì)長(zhǎng)體，柔性好的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析誤差很大，同時(shí)由于流體流過(guò)風(fēng)電機(jī)組葉片時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的非定常性運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)在測(cè)量技術(shù)上很難達(dá)到，故可以利用ANSYS 有限元分析軟件數(shù)值模擬使其流場(chǎng)非定常性運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。

在國(guó)外，日本東京大學(xué)Chuichi Arakawa 等對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，通過(guò)改變?nèi)~尖形狀從而降低噪聲。2010 年澳大利亞紐卡索大學(xué)M.J.Clifton-Smith 針對(duì)小型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬通過(guò)改變不同翼型截面的弦長(zhǎng)和扭角提出了一種新的數(shù)值優(yōu)化方法。美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室的Y.Bazilevs 等人對(duì)大型海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了詳細(xì)非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬分析。

在國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)陳龍等利用DES 方法進(jìn)行超音速空腔非定常數(shù)值模擬同時(shí)也證明該方法的可行性，為今后更深入地研究飛行器上的各種腔體氣動(dòng)特性打下了基礎(chǔ)。2009 年，新吉勒?qǐng)D在旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格處理上采用滑移網(wǎng)格模型，對(duì)水平軸風(fēng)電機(jī)組尾流流場(chǎng)進(jìn)行非定常特性的模擬計(jì)算。上海電力學(xué)院胡丹梅等人利用ANSYS 的FULENT 計(jì)算軟件進(jìn)行了雙向流固耦合。國(guó)內(nèi)外進(jìn)行流場(chǎng)氣動(dòng)性能分析的很多，大多是利用模擬軟件FLUENT 來(lái)進(jìn)行，而本文主要采用本人所在課題組自己所建立的小型風(fēng)電機(jī)組，然后利用ANSYS 中的CFX 模塊進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)模擬計(jì)算。

模型的建立

本文將葉片的每一個(gè)葉素面的三維坐標(biāo)以文本文件（.txt）形式，利用Solidworks 零件圖中的“通過(guò)xyz 曲線”命令，得到翼型面輪廓線的樣條曲線，然后依次讀取各翼型面的翼型坐標(biāo)，利用“平面區(qū)域”命令將各葉素輪廓線填充為平面，將輪廓線轉(zhuǎn)換為實(shí)體引用，根據(jù)翼型扭角進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到風(fēng)電機(jī)組葉片翼型；其次，基于放樣理論，利用“放樣”命令，將各截面逐一放樣成實(shí)體圖，并結(jié)合葉根數(shù)據(jù)生成葉片實(shí)體，最后利用陣列功能得到具體的模型如圖1 所示。

計(jì)算域的建立與設(shè)置

利用流場(chǎng)計(jì)算軟件CFX 進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)模擬，由于風(fēng)電機(jī)組表面是無(wú)滑移、無(wú)滲透、不可壓縮風(fēng)場(chǎng)是有旋流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，加之FSI 面速度壓力分布均相等，故將計(jì)算域分為兩個(gè)域：靜止域與旋轉(zhuǎn)域，靜止域的主要作用是用于進(jìn)出口風(fēng)速和風(fēng)壓的設(shè)置，其網(wǎng)格類型為普通的滑移網(wǎng)格；由于風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格會(huì)發(fā)生變形，故旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格類型設(shè)定為變形網(wǎng)格，用于與風(fēng)電機(jī)組葉片與外界環(huán)境的互相傳遞，如圖2 所示。

圖1 風(fēng)輪模型

圖2 計(jì)算域

對(duì)于ANSYS 的CFX 中非穩(wěn)態(tài)的設(shè)置主要包括出口壓力的設(shè)置、入口風(fēng)速設(shè)置、靜止域和旋轉(zhuǎn)域設(shè)置、交界面設(shè)置。靜止域的進(jìn)口風(fēng)速設(shè)置為：8m/s，出口相對(duì)壓力為：0Pa ；旋轉(zhuǎn)域的旋轉(zhuǎn)速度為：57.14rad/s，同時(shí)FSI 面必須在旋轉(zhuǎn)域中設(shè)置，并且FSI 面為風(fēng)電機(jī)組的所有葉片表面。計(jì)算域設(shè)置如圖2 所示。

結(jié)果分析與處理

一、風(fēng)輪流線分布

經(jīng)過(guò)非穩(wěn)態(tài)算法計(jì)算模擬可得風(fēng)輪流線分布情況如下。從圖3 可以看到在風(fēng)電機(jī)組葉尖處流線密度最大，因此可得葉尖周圍的流體流動(dòng)速度最大，反之可知，風(fēng)電機(jī)組葉尖處的運(yùn)動(dòng)速度最大，從圖4 可以觀察到有明顯流線內(nèi)卷的現(xiàn)象，可能由于在風(fēng)電機(jī)組葉片根部的流動(dòng)現(xiàn)象比較復(fù)雜，同時(shí)出現(xiàn)分流的現(xiàn)象，這種流線內(nèi)卷現(xiàn)象會(huì)造成風(fēng)能損失。

二、風(fēng)輪葉片三截面速度、流線云圖分析

為了比較分析距離風(fēng)輪不同截面的速度、流線的分布，在風(fēng)電機(jī)組同一葉片下、相同攻角處，分別選取葉片展向方向上距離風(fēng)輪中心三個(gè)截面分別是30%R、60%R、90%R，如圖5 和圖6 所示分別為三截面處速度、流線分布云圖。

圖5 可以觀察到在三個(gè)截面中隨著沿葉展方向距離風(fēng)輪中心30%R、60%R、90%R 的變化前緣處速度越來(lái)越大。

圖3 風(fēng)輪側(cè)面流線圖

圖4 風(fēng)輪垂直迎風(fēng)面流線圖

圖5 截面速度分布云圖

圖6 截面流線分布云圖

結(jié)論

利用非穩(wěn)態(tài)算法針對(duì)直徑為1.4m 的小型水平軸風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行風(fēng)輪尾跡流場(chǎng)分析（速度、流線）。以來(lái)流風(fēng)速為8m/s，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為57.14rad/s 為例，分析風(fēng)輪速度、流線變化規(guī)律：

（1）三個(gè)截面中隨著葉展方向距離風(fēng)輪中心30%R、60%R、90%R 截面變化翼型前緣處速度越來(lái)越大。

（2）通過(guò)風(fēng)輪流線分布圖可知風(fēng)輪葉尖處的流線密度最大，并且風(fēng)輪流線有明顯內(nèi)卷的現(xiàn)象，造成能量損失。

（3）從距離風(fēng)輪中心30%R 截面中可以看到翼型尾部出現(xiàn)了明顯的失速渦，因此可得風(fēng)輪主要做功截面分布于葉片中部以及葉梢，根部會(huì)造成大量的風(fēng)量損失。

（4）隨著距離風(fēng)輪中心30%R、60%R、90%R 三個(gè)截面的變化，尾緣的分離現(xiàn)象越來(lái)越弱，并且該流線逐漸趨于緊密。