基于ANSYS的豎直型風力發(fā)電機葉片建模與仿真

張崇文+趙高暉+仲梁維

摘要：葉片是豎直風力發(fā)電機的關(guān)鍵零件，為了確保葉片工作的穩(wěn)定性，分析葉片結(jié)構(gòu)尤為必要。針對葉片是否會在風力作用下發(fā)生破壞，采用3D與2D相結(jié)合分析的方式對葉片整體和垂直截面進行分析建模。根據(jù)建立的葉片幾何模型，利用Fluent軟件進行氣動力分析，得到葉片上最大風載，并以此為邊界條件利用Ansys有限元軟件對豎直風機葉片進行靜力分析。仿真結(jié)果表明，葉片中部變形最大，在葉片連接處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，可為風機葉片的安裝與優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；豎直葉片；Fluent；靜力分析

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：16727800（2017）004008303

0引言 我國作為能源消耗大國，風能憑借分布范圍廣、存在形式相對較為穩(wěn)定、無污染、可持續(xù)利用等優(yōu)點成為國家重點研究的對象，是目前為止最具有應(yīng)用前景且技術(shù)相對成熟的可再生性能源。豎直型風力發(fā)電機[1]與水平軸風力發(fā)電機相比，具有能夠吸收各方向風能的優(yōu)點且結(jié)構(gòu)簡單、效率高、制造成本低、生態(tài)優(yōu)勢明顯，越來越引起行業(yè)關(guān)注。葉片作為豎直風力發(fā)電機的關(guān)鍵部件，其穩(wěn)定性決定了風力發(fā)電機的性能與壽命，因此在進行風力發(fā)電機設(shè)計時，對葉片進行強度分析、可靠性分析十分重要。 徐浩等[2]基于Fluent對風力發(fā)電機氣動性進行研究，結(jié)合兩種葉片的特點設(shè)計了一種新型葉片；王昊等[3]基于Solidworks建立了水平軸風力發(fā)電機葉片的三維模型，在法向力作用下對葉片強度進行了分析；劉洋[4]基于Midas NFX有限元軟件對1kW豎直軸風力發(fā)電機葉片進行了靜力分析，得出風機葉片的受力分布規(guī)律。本文通過Solidworks建立三維模型，運用2D方法在Fluent中求出葉片上的風載，結(jié)合ANSYS軟件對豎直風機進行有限元分析，確保風力發(fā)電機葉片的安全性。

1風力發(fā)電機葉片結(jié)構(gòu)

本文葉片采用與NACA0018相似的新型翼板，主要特點是葉片內(nèi)部有加強筋，提高葉片整體剛度，葉片具體參數(shù)在文中略去，葉片模型如圖1所示。

風力發(fā)電機長期在戶外運行，葉片工作環(huán)境比較惡劣，既要滿足葉片強度與剛度要求，又要降低加工難度、提高性價比，因此材料選用玻璃鋼[5]。玻璃鋼即纖維強化塑料，具有輕質(zhì)高強的特點，有很好的耐腐蝕性，可設(shè)計性優(yōu)越，能夠根據(jù)不同需要靈活應(yīng)用于各類產(chǎn)品，玻璃鋼性能參數(shù)如表1所示。

2風載計算

風力發(fā)電機在工作過程中除了受到因轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力和自身重力外，還受到空氣作用于葉片上的氣動力即風載。如果通過常規(guī)的3D建模進行數(shù)值分析，計算網(wǎng)格可達到一個非常巨大的數(shù)目，計算量大、耗時長，不易得到準確結(jié)果。所以通過建立葉片2D幾何模型來進行數(shù)值模擬，得到葉片上的風載，計算流程如圖2所示。

2.1幾何模型建立

ICEM作為前置處理軟件，具有很強的模型處理和網(wǎng)格劃分能力，并且與許多軟件有良好的兼容性。首先對葉片進行簡化，對AutoCAD中做出簡化后的葉片進行2D建模并確定計算域。如果計算域太大，會消耗過多計算機資源，太小又不能準確模擬，因此采用使用較多的12D×6D 的矩形區(qū)域作為計算區(qū)域，模擬風力發(fā)電機的外流場。同時風力發(fā)電機處于計算域內(nèi)，為了模擬風力發(fā)電機葉片轉(zhuǎn)動與附近一定范圍的相對流動，將葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域作為旋轉(zhuǎn)域，與外流場區(qū)分開來，方便后期網(wǎng)格處理，提高葉片周圍網(wǎng)格數(shù)量。葉片處于旋轉(zhuǎn)域中，聯(lián)接葉片與塔臺的連接架對分析影響較小，在仿真時忽略對旋轉(zhuǎn)域的影響，以dwg文件導(dǎo)入Icem中，進行網(wǎng)格處理，圖3為風力發(fā)電機的幾何模型。

如圖3所示，D為葉片的旋轉(zhuǎn)直徑3.6m，風從計算域的左側(cè)進入，葉片到左側(cè)邊界的距離是旋轉(zhuǎn)直徑的3倍，到上下邊界的距離是旋轉(zhuǎn)直徑的3倍，到右側(cè)出口的距離是旋轉(zhuǎn)直徑的9倍。2.2ICEM 前處理

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量、減少計算時間，對計算域進行主次劃分。將整個域劃為3個計算域：旋轉(zhuǎn)域外的外流域、旋轉(zhuǎn)域和中心的內(nèi)流域。利用O-Grid方法對計算域分塊處理，對旋轉(zhuǎn)域附近網(wǎng)格進行加密。網(wǎng)格處理后，越靠近葉片的區(qū)域網(wǎng)格越稠密，遠離葉片的外流域網(wǎng)格稀疏，劃分后的網(wǎng)格如圖4所示。

在進入Fluent求解器前，先在Icem中創(chuàng)建邊界Part。將矩形左側(cè)設(shè)為入口邊界、右側(cè)為出口邊界，上、下邊為對稱邊界，旋轉(zhuǎn)域與外流域的接觸面為滑移邊界[67]。

2.3FLUENT求解

在Fluent軟件中進行流場分析，為獲得風載的唯一解，需要進行計算域邊界條件各種參數(shù)值設(shè)定，選擇氣動計算中經(jīng)常使用的spalart-Allmaras方程湍流模型，介質(zhì)為理想空氣，定義入口邊界條件，將進口風速的速度作為輸入條件，出口邊界為環(huán)境壓力。將旋轉(zhuǎn)域的邊界與外流域邊界耦合進行求解。風機葉片在流場中的壓力云圖如圖5所示。 從葉片的壓力云圖中可以發(fā)現(xiàn)，位于迎風側(cè)的葉片表面所受壓強最大，主要位于葉片的前緣，最大壓強為142.9MPa。葉片上下表面存在比較明顯的壓力差，使葉片產(chǎn)生力矩進而轉(zhuǎn)動。

3風機靜力分析

3.1靜力分析基礎(chǔ)

靜力分析是最基礎(chǔ)、最常用的有限元分析方法，在大部分工程計算中都必不可少。所謂靜力分析就是結(jié)構(gòu)受到靜態(tài)載荷的作用，慣性和阻尼可以忽略[8]，在此載荷的影響下，引起結(jié)構(gòu)的響應(yīng)包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變等，以此判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是否滿足強度上的要求。由經(jīng)典力學(xué)理論可知動力學(xué)通用方程為： [M]{x"}+[C]{x′}+[K]{x}={F（t）}（1）其中，[M]為質(zhì)量矩陣，{x''}為速度矢量，[C]為阻尼矩陣，{x'}為加速度矢量，[K]為剛度矩陣，{x}為位移矢量，{F（t）}為力矢量。線性靜力分析中的物理量都不隨時間變化，因此對動力學(xué)方程進行簡化得到線性靜力方程： [K]{x}={F（t）}（2）其中{F}為靜力載荷，由于不考慮慣性的影響，質(zhì)量對結(jié)構(gòu)沒有影響。靜態(tài)載荷作用下的結(jié)構(gòu)需要添加約束使之處于靜力平衡狀態(tài)來進行求解。有限元軟件中靜力分析主要流程如圖6所示。

3.2三維模型建立

本文在Solidworks中建立豎直風力發(fā)電機葉片的三維模型，并進行簡化處理。去除模型中的圓角和小孔，將部分零件從其結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)進行一體化操作。將處理好的模型導(dǎo)入Ansys Workbench中進行靜力分析。

3.3網(wǎng)格建立

模型文件建立后只有通過網(wǎng)格劃分才能進入求解計算，網(wǎng)格劃分的實質(zhì)是對有限元模型離散化，通過一定數(shù)量的網(wǎng)格單元得到準確的解，而幾何模型本身并不參與計算，因此網(wǎng)格劃分在有限元分析中必不可少。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響計算時間和精度，劣質(zhì)的網(wǎng)格不僅會造成計算時間過長甚至無法求解。本文主要研究是的是風力發(fā)電機葉片部分，因其輪廓比較復(fù)雜，流線型的形狀不宜劃分網(wǎng)格，四面體網(wǎng)格適應(yīng)性比較好，但節(jié)點數(shù)會比六面體多，因此采用六面體與四面體結(jié)合的方式，并結(jié)合圣維南原理[9]通過影響球功能進行局部細化。葉片劃分后的網(wǎng)格數(shù)目為8 810，如圖7所示。

3.4風機載荷

葉片在運行過程中，受到重力、離心力和氣動力的作用，葉片材料使用的玻璃鋼，密度低、質(zhì)量輕，忽略其重力和離心力對葉片結(jié)構(gòu)的影響。由風載計算可知，在工作時葉片在迎風側(cè)的表面所受載荷最大，如圖5葉片壓力云圖所示，最大風載為142.9Pa，位于葉片前緣輪廓線法線方向。因此，風機葉片的載荷只考慮法向力，以均布載荷方式添加在葉片上。

3.5計算結(jié)果分析

通過計算得到葉片壓力云圖及其在風載作用下的位移圖，如圖8、圖9所示。

可以看出，葉片的變形主要集中在中部呈對稱分布，葉片前緣厚度大變形小，尾緣厚度小變形大，最大為6.3×102mm。應(yīng)力最大位置發(fā)生在連接處，并由連接處向兩側(cè)遞減，最大等效平均應(yīng)力為15.146MPa。結(jié)合圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，葉片連接處的位置對葉片變形影響比較大，可以對葉片連接處的位置進行優(yōu)化，減小變形量，為葉片的設(shè)計與校核提供依據(jù)。

4結(jié)語

本文對豎直軸風力發(fā)電機葉片進行了仿真分析，通過風載計算得到葉片表面壓力分布規(guī)律，揭示了風機工作原理[10]。風機葉片靜力分析中最大應(yīng)力15.146MPa，小于玻璃鋼的許用應(yīng)力，符合設(shè)計要求，對更加深入理解豎直風力發(fā)電機有重要意義。通過風載分析可以發(fā)現(xiàn)，當葉片位于不同轉(zhuǎn)角時，葉片上所受壓強不同，葉片前緣與尾緣的壓強差也不一樣，可知葉片數(shù)目和角度會改變?nèi)~片的升力，影響風機的轉(zhuǎn)動性能，因此可以對此開展進一步研究與優(yōu)化，以提高風力發(fā)電機性能。

參考文獻：[1]胡浩，楊臻，高潤龍，等.一種新型風力發(fā)電機的設(shè)計思路[J].中國機械，2014（16）：266267.

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[3]王昊，范海哲，李帥斌.風力發(fā)電機葉片建模及有限元分析[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2016（6）：257260.

[4]劉洋，吳國慶，宋晨光.1kW垂直軸風力發(fā)電機葉片靜力分析[J].南通大學(xué)學(xué)報，2016，15（3）：16.

[5]汪澤霖.玻璃鋼原材料手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

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[8]劉笑天.ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)工程高級應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[9]蔡新.風力發(fā)電機葉片[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[10]宋少云，尹芳.有限元網(wǎng)格劃分中的圣維南原理及其應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2012（8）：6365.（責任編輯：孫娟）