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基于STAR-CCM+的风电叶片旋转流场虚拟仿真分析
时间:2015-10-24    评论:0
    来源:第三维度
    作者:李东旭,卜继玲,刘奇星,戴龙侠,高康
    单位:株洲时代新材料科技股份有限公司

    摘要:针对风电叶片传统设计方法工作量较大、分析效率低等问题。本文运用 CFD 软件 STAR-CCM+对风电叶片旋转流场分析方法进行研究。研究发现:旋转坐标系、滑移网格、Dynamic Fluid Body Interaction(DFBI)方法均能够满足风电叶片流场分析精度要求。通过对比,推荐滑移网格作为风电叶片气动弹性研究方法。

    0  前言

    随着计算机技术的兴起,三维计算流体力学逐渐被应用于计算通过叶轮的流场变化和作用在叶片的气动力上,已成为分析风电叶片气动性能的主要工具,将其和叶片结构有限元计算结合起来能够有效地解决风力机叶片的气动弹性稳定性问题[1-4]。

    运用 CFD 方法对叶片开展气动弹性研究,一方面有助于深刻认识和揭示多种气动弹性现象发生的规律及其相互转换的条件和机理,为叶片的优化设计提供理论依据;另一方面为消除和预防所不希望发生的气动弹性不稳定现象,以及降低由颤振和振动引发的叶片结构疲劳破坏事故发生的机率奠定必要的基础。

    本文以公司新开发的叶片为研究对象,运用 CFD 方法对叶片开展旋转流场分析研究,确定气动弹性分析策略,为进一步的疲劳寿命、断裂分析和风机叶片的结构优化设计提供有价值的参考和依据。

    1  风电叶片旋转流场分析

    1.1 风电叶片旋转流场分析方法

    目前,旋转流场分析方法主要是通过将流体域分成旋转域和静止域,两者之间通过INTERFACE 实现数据传递,其中,静止域通过常规控制方程进行求解,旋转域根据不同分析策略,进行风电叶片旋转流场分析方法主要包括:旋转坐标系、滑移网格、DFBI 方法等。

    (1)旋转坐标系方法(Moving Reference Frame):通过稳态方法进行旋转流场分析,分析模型的网格并非真实运动,通过旋转参考坐标系的方法体现旋转区域的效果。旋转域求解是通过坐标轴转换得到的新的控制方程。

 v=vr+rw                  (1)

    (2)滑移网格方法(Sliding Mesh):通过网格节点随时间真实运动来模型旋转运动,旋转区域相对固体区域做真实运动。

    (3)流体与固体相互作用(DFBI):可以模拟刚体在流体作用下的运动,刚体包括 6个自由度,用户根据需要确定刚体的自由度。

    1.2  风电叶片旋转流场分析流程

    为确定合适的旋转流场分析策略,运用 STAR-CCM+对风电叶片进行旋转流场分析。具体流程如下:

    (1)建立叶轮旋转流场分析模型,如图1 所示,包括:轮毂和叶片。叶轮装配时考虑叶片位置从模具坐标系到叶片坐标系的转换,并考虑锥角等因素;


图 1  风电叶片旋转流场分析模型  

    (2)确定旋转流场分析计算域,计算域应包含叶轮旋转所影响的全部空气区域,为减小计算规模,可由旋转域与静止域两部分组成,两部分之间的交界面设置 INTERFACE,以便计算数据的传递;

    (3)边界条件的设定,包括入口、出口、壁面、对称边界等,壁面边界应考虑滑移条件,入口为速度入口,设置风速 8m/s,出口为压力出口,出口压力为 0Pa;

    (4)网格划分,如图 2 所示。在叶片表面附近划分边界层网格,并对叶轮表面网格及其附近的体网格进行适当的加密,既保证计算的精度,又使得计算规模控制在可接受的范围之内;


图 2  风电叶片旋转流场分析网格模型

    (5)求解设定,包括求解器的选择、流动状态、湍流模型、速度压力耦合算法、迭代次数设置等。

    2  叶片旋转流场分析结果

    2.1  旋转坐标系方法

    在距叶片根部坐标原点 10m、20m、30m、40m 处分别截取截面,得到四个翼型截面的压力分布如图3 所示,四个翼型截面速度矢量如图 4 所示。图 3 8m/s 工况各翼型截面压力分布由图3 可知,在三维旋转状态下,叶片的低压区主要集中在吸力面靠近前缘的区域,高压区主要集中在压力面靠近前缘的区域。


图3 8m/s 工况各翼型截面压力分布

    压力面除高压区外,压力分布比较均匀,而在吸力面,由于气流在这个地方流动比较紊乱,因此风压的分布也比较紊乱,出现了压力分层的现象,这主要是由于吸力面部分区域出现流动分离造成。


图4  各翼型截面速度矢量图

    由图4 可知,风电叶片最大速度出现在吸力面的前缘区域,即压力最小的区域。叶片吸力面的速度矢量分布比较紊乱,但并没有形成明显的涡流状况。

    2.2  滑移网格方法

    设置风电叶片额定转速为 16r/min,运用滑移网格方法模拟风电叶片在匀速转速下,叶片表面压力和速度,具体结果如图 5、6 所示。


图 5 8m/s 工况各翼型截面压力分布


图6  各翼型截面速度矢量图

    由图 3、4、5、6 可知,运用滑移网格与旋转坐标系对叶片进行旋转流场分析,结果相近,两种方法分析精度相同。

    2.3 DFBI 方法

    运用 DFBI 方法不仅可以模拟叶片匀速状态旋转,还可以模拟叶片从静止到匀速转动过程。设置叶轮质量及绕旋转轴的转动惯量,计算得到叶轮在恒定风速 8m/s 作用下,叶轮表面压力与风流过叶轮表面后的速度流线,如图 7 所示。


图7  叶轮表面压力云图与速度流线图


图8  叶轮角速度、角加速度及所受载荷

    由图 7 可知,风电叶片表面最大压力为 4212.2Pa,风流过叶片表面后未发生明显的涡流。

    由图 8 可知,叶片匀速转动时的角速度为 1.62rad/s,所受载荷为 114067N。


表1  不同旋转分析方法结果对比

    由表 1 可知,旋转坐标系、滑移网格、DFBI 方法均能够满足叶片旋转流场分析要求。

    旋转坐标系方法和滑移网格未考虑叶片质量、转动惯量等属性,计算结果较为相近。而 DFB考虑叶片质量属性,计算结果较大。从分析效率角度,旋转坐标系方法效率较高,DFBI 方法计算效率较低,计算时间是旋转坐标系方法的 2-3 倍。从叶片气动弹性分析方面考虑,旋转坐标系方法不适用于叶片旋转双向流固耦合分析,滑移网格方法可以结合 STAR-CCM+软件的 Co-simulation 功能与结构分析软件 Abaqus 实现旋转流固耦合分析。

    3  结论

    借助 STAR-CCM+软件对风电叶片开展旋转流场分析,通过分析得到以下结论:

    (1)旋转坐标系、滑移网格、DFBI 方法均能够满足风电叶片流场分析精度要求。

    (2)旋转坐标系方法属于稳态分析,分析效率最高。滑移网格和 DFBI 方法属于瞬态分析方法,DFBI 方法所需计算量较大。综合考虑,应首选滑移网格方法对风电叶片进行旋转流场分析。

    (3)后续可运用滑移网格方法与结构分析软件 Abaqus 实现风电叶片双向旋转流固耦合分析。

    参考文献

    [1]  苏盛竹,  周欣贤.  风力发电机叶片气动力流场分析[C].  中国机械工程学会第二十四届全国研讨会, 2005. 

    [2]  杨承志,  柳慧春,  周云龙.  水平轴风力机的叶片设计与基于 CFD 的流场分析[J].  东北电力大学学报, 2010, 30(1): 22-26.  

    [3]  何显富,  卢霞,  杨跃进,  等.风力机设计、制造与运行[M].北京:  化学工业出版社, 2009: 189-196.

    [4]  李少华,  岳巍澎,  王东华,  等.  基于 CFD 的旋转风轮气动性能分析[J].  动力工程学报, 2011, 31(9): 705-708. 

标签:STAR风电旋转流电力
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