風(fēng)電機(jī)組葉片流固耦合的數(shù)值模擬方法

1.1流體域求解方法

流場中的控制體既不能產(chǎn)生質(zhì)量也不能消滅質(zhì)量,因此它滿足質(zhì)量守恒定律。該定律在流場中的數(shù)學(xué)表達(dá)式為連續(xù)性方程

式中,p,t,V分別為流體密度、時(shí)間和流體速度。

動(dòng)量守恒定律可表述為:控制體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。其在流場中的數(shù)學(xué)表達(dá)式為運(yùn)動(dòng)方程

能量守恒定律是流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的基本定理,在不考慮溫度變化條件下,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中,F為質(zhì)量力,P 為表面壓強(qiáng)。

1.2葉素速度

風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪運(yùn)行過程中實(shí)際參考風(fēng)速為來流風(fēng)速和旋轉(zhuǎn)風(fēng)速的共同作用,通過改變?nèi)~片不同葉展處的風(fēng)速可實(shí)現(xiàn)正常來流風(fēng)速和旋轉(zhuǎn)風(fēng)速的疊加效果。不同葉展處的參考風(fēng)速Vref的計(jì)算公式為

式中,Vo為自然來流風(fēng)速;w 為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度;r 為葉展位置的旋轉(zhuǎn)半徑;a為軸向誘導(dǎo)系數(shù);a’為切向誘導(dǎo)系數(shù)。

葉素速度矢量的三角形關(guān)系如圖1所示,圖中α、β、?分

2.1結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

風(fēng)電機(jī)組葉片為多自由度有阻尼的非線性結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為

2.2葉片結(jié)構(gòu)模型

為了用靜止葉片模擬葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng),只通過將葉素處的速度按照速度矢量關(guān)系修正還不能達(dá)到應(yīng)有效果,需要對(duì)葉片不同截面處翼型的氣動(dòng)扭角進(jìn)行修正。如圖1所示,以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的風(fēng)速方向作為參考方向,將該截面處的翼型進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角θ等于人流角?。新翼型各點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)于原坐標(biāo)的計(jì)算公式為

根據(jù)扭角修正方法,對(duì)某5 MW風(fēng)電機(jī)組葉片各截面處的翼型扭角進(jìn)行修正,修正后建立整個(gè)葉片的結(jié)構(gòu)模型,如圖2所示。

耦合系統(tǒng)以MPCCI為數(shù)據(jù)交換平臺(tái),采用弱耦合方式,數(shù)據(jù)傳遞過程中固體與流體分別求解,只在禍合界面上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,禍合過程如圖3所示。流固藕合交界面上分別滿足邊界位移及應(yīng)力的連續(xù)性,即

4.1模型基本參數(shù)

以某年平均風(fēng)速8 m/s 的二類風(fēng)電場中5 MW風(fēng)電機(jī)組葉片為研究對(duì)象,該機(jī)組風(fēng)輪直徑127 m,葉片長62 m,額定風(fēng)速12.2 m/s,風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速13.5 r/min。在額定風(fēng)速及額定轉(zhuǎn)速條件下,根據(jù)上述方法對(duì)葉片進(jìn)行計(jì)算,得到各翼展處的參考風(fēng)速及修正角度如表1所示。

  
根據(jù)表1的參考風(fēng)速及修正角度,進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)構(gòu)建模,得到修正前后葉片的結(jié)構(gòu)模型(圖2)。對(duì)修正后的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元離散化,得到流場計(jì)算的全局網(wǎng)格及局部網(wǎng)格單元如圖4所示。計(jì)算節(jié)點(diǎn)共計(jì)30萬,網(wǎng)格單元共計(jì)86萬。

采用等效質(zhì)量、剛度分布的方法建立風(fēng)電機(jī)組葉片殼結(jié)構(gòu)模型。葉根段厚度為0.12 m,葉尖段為0.012 m,中間各段厚度沿展向線性變化,網(wǎng)格采用三角形殼單元S3R。節(jié)點(diǎn)總數(shù)5000,單元總數(shù)10000。用于結(jié)構(gòu)計(jì)算的葉片有限元網(wǎng)格單元如圖5所示。

4.2結(jié)果分析

風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)模擬模型與均勻來流初始模型的風(fēng)電機(jī)組葉片表面壓力計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖6所示。兩種模型的葉片表面壓力呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,由葉根到葉尖逐漸減小;靠近葉尖處同一翼型截面上壓力沿前緣到尾緣先迅速減小到最小值,后逐漸增大。數(shù)值上,旋轉(zhuǎn)模擬模型葉片的表面壓力小于均勻來流初始模型,整體誤差小于5%,驗(yàn)證了風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)模擬模型的可靠性。

風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)模擬模型與均勻來流初始模型的風(fēng)電機(jī)組葉片40 m展向位置翼型周圍氣壓、流速的計(jì)算結(jié)果如圖7及圖8所示

兩種模型葉片40 m展向位置翼型周圍氣壓分布,與MEXICO實(shí)驗(yàn)60%半徑位置測試壓力數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,翼型升力側(cè)壓力小于壓力側(cè)壓力;翼型壓力側(cè)表面壓力從前緣到尾緣呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,最大壓力位于前緣點(diǎn)靠下位置,最小壓力位于升力側(cè)30%弦長處。

兩種模型葉片40 m展向位置翼型周圍空氣流速分布規(guī)律相同,翼型升力側(cè)流速大于壓力側(cè)流速;翼型壓力側(cè)附近流速從前緣到尾緣先增大后減小,最小流速位于前緣點(diǎn)靠下位置,最大流速位于升力側(cè)約25%弦長處。

兩種模型葉片40 m展向位置翼型周圍氣壓及流速計(jì)算結(jié)果的整體誤差在3%以內(nèi)。

風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)模擬模型與均勻來流初始模型的風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖9所示。兩種模型葉片的結(jié)構(gòu)位移從葉根到葉尖逐漸增大,在葉尖達(dá)到最大值。旋轉(zhuǎn)模擬模型葉片的最大結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果為5.98 m,均勻來流初始模型葉片的最大結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果為5.74 m,誤差小于3%。

以風(fēng)切變形式模擬風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)與來流風(fēng)速綜合效應(yīng),對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片各展向位置翼型的扭角進(jìn)行修正,提出一種用于風(fēng)電機(jī)組葉片流固禍合數(shù)值模擬的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)模擬模型。在輪轂中心處風(fēng)速為額定風(fēng)速條件下,應(yīng)用風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)模擬模型對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行三維流固耦合數(shù)值計(jì)算,并與均勻來流初始模型計(jì)算結(jié)果及文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)模擬模型葉片40 m展向位置翼型周圍氣壓的仿真計(jì)算結(jié)果與MEXICO實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的分布規(guī)律相同。兩種模型葉片的表面壓力、翼型周圍氣壓及流速計(jì)算結(jié)果的分布規(guī)律相同,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)模擬模型得到的葉片面壓力小于均勻來流初始模型的計(jì)算結(jié)果,整體誤差小于5%;葉片40 m展向位置翼型周圍氣壓及流速計(jì)算結(jié)果,以及葉片最大結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果的誤差均小于3%。