范端陽，關(guān) 新，張文璐

（沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

文章以美國可再生能源委員會(huì)已經(jīng)公布的近海5 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象，基于流固耦合理論，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。給出了基于風(fēng)力機(jī)輸出壓力云圖的流場(chǎng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，并通過輸出節(jié)點(diǎn)位移云圖給出了風(fēng)壓點(diǎn)和壓力中心位置分析結(jié)構(gòu)的變形程度和易變形的位置，輸出節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力云圖，得到不同節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力分布，該分析研究對(duì)于未來海上風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

1 5 MW 海上風(fēng)力機(jī)整機(jī)模型與流固耦合理論

1.1 5 MW 海上風(fēng)力機(jī)整機(jī)模型

根據(jù)NERL 公布的某近海5 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)翼型氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)，在SolidWorks 中建立葉片的三維實(shí)體模型，其葉片模型相關(guān)氣動(dòng)特性參數(shù)如表1 所示。

表1 5 MW 葉片氣動(dòng)特性參數(shù)

塔架設(shè)計(jì)為錐筒型，高度為80 m，塔頂直徑為3.6 m，壁厚為0.019 m，塔底直徑為4.5 m，壁厚為0.027 m；底部通過法蘭盤與單樁基礎(chǔ)固定連接，由于爬梯在塔架內(nèi)部，塔架和樁基連接處的平臺(tái)位于塔架外部，相對(duì)塔架和樁基質(zhì)量來說不大，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響不大，因此省略了爬梯和平臺(tái)。基礎(chǔ)選擇單樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)為高度20 m，直徑4.5 m 的實(shí)體圓柱。機(jī)艙設(shè)計(jì)為尺寸24 m×8 m×8 m 的類似長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。

1.2 流固耦合理論

流固耦合是研究各種行為的影響。在流場(chǎng)作用下形變的固體以及流場(chǎng)上固體的形變，其重要特征是兩相介質(zhì)間的相互作用。流固耦合問題可由其耦合方程定義，未知變量由描述流體現(xiàn)象的變量和描述固體現(xiàn)象的變量組成，一般具有以下特點(diǎn)。

（1）流域和固域都不能單獨(dú)解析。

（2）描述流體運(yùn)動(dòng)的自變量和描述固體現(xiàn)象的自變量不能明確去掉。

在流固耦合過程中，為保證流固之間的能量守恒，在流固界面處應(yīng)滿足以下方程：

式中：τ為系統(tǒng)應(yīng)力；Tf和s分別為固體和流體；n為向量的方向余弦；df為位移；q為熱流量；Tf為溫度。

式中：k指數(shù)代表迭代的時(shí)間步長(zhǎng)；Aff和Ass分別為流場(chǎng)的系數(shù)矩陣固體的系數(shù)矩陣；和別為固域和流域的待求解量；Bf和Bs分別為求解系統(tǒng)中固域外力和流域外力；Afs和Asf均為流固耦合矩陣。

2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

文章以風(fēng)輪輪轂中心為原點(diǎn)，半徑設(shè)成65 m，厚度為5 m 設(shè)置成旋轉(zhuǎn)域。流體域包括海平面以上的部分塔筒、機(jī)艙、風(fēng)輪的空氣域和海平面下方的海水域?？諝庥?yàn)楹Ｆ矫嬉陨细?00 m，總長(zhǎng)設(shè)置成風(fēng)輪半徑的10 倍，寬為300 m 的長(zhǎng)方體區(qū)域和半徑為150 m 的半圓柱體區(qū)域組成。海水域以風(fēng)力機(jī)塔筒底面為基準(zhǔn)面，高度為40 m，長(zhǎng)度和寬度與空氣域一致。距風(fēng)機(jī)前200 m 處設(shè)置成流體域的進(jìn)口面，出口面距風(fēng)力機(jī)400 m。外部流場(chǎng)域采用六面體網(wǎng)格，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域則采用四面體網(wǎng)格。

2.2 邊界條件的設(shè)置

利用Navier-Stocks 方程和湍流模型RNG k-ε，模擬隨機(jī)風(fēng)和隨機(jī)波浪載荷。并使用滑移網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)，采用二階迎風(fēng)格式，對(duì)NREL 5 MW海上風(fēng)力機(jī)做流固耦合數(shù)值模擬計(jì)算?？刂品匠虨椋?/p>

式中，ρφ為通用變量；t為時(shí)間；ρφ為流體密度；u為來風(fēng)速度；(Γg代表通用擴(kuò)散系數(shù)；S代表廣義源項(xiàng)。

RNG k-ε 的湍流模型為：

其中，k為湍流動(dòng)能；ε代表k的耗散率；εui為來流速度分量；xi，xj均為流體的坐標(biāo)分量；μeff為氣流黏度與湍流黏度之和；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；bG為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；MY為可壓湍流中總耗散率受波動(dòng)膨脹的影響；(αkμ和(αεμ分別為湍流動(dòng)能及耗散率Pr（普朗特?cái)?shù)）的倒數(shù)，ε1C，Cε2和Cε3 為模型默認(rèn)常數(shù)；Sk，εS和εR分別為用戶定義的源項(xiàng)。

將初始條件中的入口初始風(fēng)速設(shè)置為11.37 m/s，設(shè)置水流入口速度為0.55 m/s。在出口中均設(shè)置為自由出流；旋轉(zhuǎn)域、空氣域與海水域交界處設(shè)為interface 面，流場(chǎng)域壁面和風(fēng)機(jī)表面設(shè)置為靜止域wall。設(shè)置旋轉(zhuǎn)域旋轉(zhuǎn)角速度為1.926 rad/s。

我總覺得，婚姻大概就是這樣吧，兩個(gè)人一起保有著所有的記憶，一起分享著或者是很重大的滄桑變化，或者，是很小的細(xì)微末節(jié)，例如一朵小小的花。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)

完成計(jì)算后，分別導(dǎo)出風(fēng)力機(jī)的整機(jī)位移變形云圖和等效應(yīng)力云圖，對(duì)風(fēng)力機(jī)整機(jī)動(dòng)力響應(yīng)特性分析總結(jié)。從整機(jī)變形位移云圖1 中可以看出，在海水面以下的塔筒變形量很小，而基礎(chǔ)幾乎無變形。變形較大的位置出現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)塔筒海水面以上的部位和風(fēng)輪部分。風(fēng)力機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)變形由下至上依次遞增，最大變形量出現(xiàn)在葉片的葉尖處。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)到與水平面垂直的高度時(shí)，該葉片葉尖部位變形趨勢(shì)相較于其它兩個(gè)葉片更加明顯。最大變形值約為33.47 mm。塔筒頂部的變形量與同一水平高度的葉片根部的變形量接近。

海上風(fēng)力機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)際位移和等效應(yīng)力的方向應(yīng)該是x、y、z 三個(gè)方向，但因初始條件風(fēng)與波浪載荷的作用方向都設(shè)置為沿x 方向，故可認(rèn)為等效應(yīng)力和位移變形量都沿x 軸最大。將進(jìn)行對(duì)比分析，可知x 軸的位移變化比y、z 軸的變化趨勢(shì)大。

圖2（a）為風(fēng)力機(jī)整機(jī)的迎風(fēng)面結(jié)構(gòu)變形圖，可見，x 軸與y 軸向比，在風(fēng)力機(jī)整機(jī)機(jī)身不同高度處，y 軸方向位移在0～5 mm 內(nèi)由底部到機(jī)身頂部呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，x 軸向位移變化范圍是同方向y 軸變化范圍的3 倍，因此表現(xiàn)出較為快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖2 整機(jī)位移圖

圖2（b）為背風(fēng)面整機(jī)位移變化情況，在隨機(jī)風(fēng)浪載荷聯(lián)合作用下，z 方向位移變化趨勢(shì)幾乎為零，x向變化范圍依然最大，在樁基以上部位，由于正常工況下，近海風(fēng)場(chǎng)作用力比波浪場(chǎng)較大，所以角系數(shù)在樁基以上部分隨著高度的增加變化越來越快。

由圖2（c）軸正向側(cè)x 軸和總位移對(duì)比圖可以看出，x 軸向位移對(duì)總位移貢獻(xiàn)較大，不同高度上的位移值大小相同，方向相反。從圖2（d）軸負(fù)向側(cè)位移-高度圖可見，y 軸方向位移與機(jī)身總位移方向相同，其角系數(shù)隨高度增大速度比總位移角系數(shù)隨高度變化快。

3.2 風(fēng)力機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力響應(yīng)分析

等效應(yīng)力結(jié)果分析表明，波峰達(dá)到塔筒位置時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)最大值。這里將1 s 時(shí)刻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖輸出后進(jìn)行分析，這時(shí)波峰剛好處于塔筒位置。風(fēng)力機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖如圖3 所示。

圖3 整機(jī)等效應(yīng)力云圖

當(dāng)隨機(jī)波浪荷載的頻率改變時(shí)，風(fēng)力機(jī)整機(jī)的等效應(yīng)力隨機(jī)身高度的變化趨勢(shì)也會(huì)隨之改變，但應(yīng)力極值都出現(xiàn)在基礎(chǔ)底部。原因在于基礎(chǔ)部分不僅承受波浪載荷作用，同時(shí)承受著風(fēng)輪和風(fēng)輪軸、機(jī)艙、塔筒的重力載荷。在機(jī)身的10 m 高度處，背風(fēng)側(cè)的等效應(yīng)力逐漸增大，并在約12 m 處達(dá)到平均應(yīng)力的最大值。其原因是該處距離海平面較近，此處的風(fēng)壓和波浪力脈動(dòng)性較強(qiáng)，邊界層處的壓強(qiáng)呈現(xiàn)出不規(guī)則性。當(dāng)來流速度隨時(shí)間變化時(shí)，邊界層外的分離點(diǎn)向前或向后移動(dòng)，呈現(xiàn)出隨機(jī)性。

將幾組不同高度、同一水平曲線上的等效應(yīng)力特性進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4 所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨高度變化圖

4 結(jié)論

文章基于流固耦合有限元分析方法，建立了流場(chǎng)計(jì)算與實(shí)體域計(jì)算的耦合過程，引入了隨機(jī)風(fēng)浪荷載模型，完成了風(fēng)力機(jī)整機(jī)的流固耦合仿真過程。通過導(dǎo)出整機(jī)的位移變形云圖、應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）相對(duì)于隨機(jī)風(fēng)載荷而言，波浪載荷對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的作用力影響較小，變形的最大值出現(xiàn)在水平面最上方的葉片葉尖處。最大變形量約為33.47 mm。

（2）將幾組不同高度、同一水平曲線上的等效應(yīng)力特性進(jìn)行對(duì)比分析可知，不同高度處的同一水平線上節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力呈拋物線變化規(guī)律，最低的等效應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在兩側(cè)的邊界層分離點(diǎn)處。同一高度的等效應(yīng)力值與高度成反比。

（3）隨機(jī)波浪荷載的頻率改變時(shí)，風(fēng)力機(jī)整機(jī)的等效應(yīng)力隨機(jī)身高度的變化趨勢(shì)也會(huì)隨之改變，但應(yīng)力極值都出現(xiàn)在基礎(chǔ)底部。原因在于基礎(chǔ)部分不僅承受波浪載荷作用，同時(shí)承受著風(fēng)輪和風(fēng)輪軸、機(jī)艙、塔筒的重力載荷。在機(jī)身的10 m 高度處，背風(fēng)側(cè)的等效應(yīng)力逐漸增大，并在約12 m 處達(dá)到平均應(yīng)力的最大值。其原因是該處距離海平面較近，此處的風(fēng)壓和波浪力脈動(dòng)性較強(qiáng)，邊界層處的壓強(qiáng)呈現(xiàn)出不規(guī)則性。當(dāng)來流速度隨時(shí)間變化時(shí)，邊界層外的分離點(diǎn)向前或向后移動(dòng)，呈現(xiàn)出隨機(jī)性。