基于数据交换方法的风电机组流固耦合及动力损伤机理研究

发布时间：2020-04-16 12:31

【摘要】：由于开发矿物资源等造成全球变暖及环境污染的加剧,各国政府对于新能源的发展越来越重视。我国作为世界上最大的风电国家,对风电的发展高度重视。随着技术的进步,人们开始在更为恶劣的环境中建造拥有更大风机结构尺寸的风力发电机场,这是造成了风机事故逐年增加的原因之一。对于风机结构,对其影响最大的是风荷载与地震荷载,要研究风荷载对结构的影响必定要考虑到流体与固体间的耦合。目前,国内外对风电机组流固耦合的研究主要体现在叶片与气流的耦合或者塔筒与气流的耦合等方面,而将桨叶-塔筒-基础结构耦联为整体进行流固耦合作用的研究较少。基于此,本文拟采用多物理场耦合的CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Dynamics)双向流固耦合求解方法,将风电机组“桨叶-塔筒-基础-地基”视为整体的耦联体系结构,把桨叶的气动效应与塔筒及基础的结构承载能力紧密联系起来,研究结构损伤发展及变化的规律,从而为更准确地研究风电机组耦联系统结构的流固耦合作用机理与损伤破坏模式提供支撑。研究内容主要分为三部分,包括风力发电机组双向流固耦合特性分析、风力发电机组耦联体系非线性损伤机理研究、流固耦合-地震联合作用下的风机结构响应特性。研究结果主要包括以下及几部分:(1)对流固耦合基本方程、湍流模型、动网格技术及数据传递方法进行描述,阐述了数据交换软件MpCCI中流固耦合方法实现的理论支撑,通过对圆柱绕流经典问题计算验证了本文计算方法的正确性;(2)建立风力发电机组桨叶-塔筒-基础结构耦联体系模型及流体域计算模型,运用模态分析原理,对结构自振特性进行分析;(3)通过在流体域设置不同边界条件,利用MpCCI将Fluent与Abaqus联立,研究不同风速下风电机组流固耦合特性;(4)引入塑性损伤本构,研究在流固耦合作用下风力机基础结构非线性特性,探寻损伤发展规律及结构破坏模式对风电机组安全稳定运行、基础结构及配筋设计的优化的影响,具有重要的理论与工程借鉴意义;(5)通过算例验证了不同边界条件对波能的吸收效果,将黏弹性边界与IEM边界应用于实际模型地震动响应分析中,对IEM边界及黏弹性边界在风机结构中对波能量的吸收效果进行了比较分析;(6)研究了流固耦合切变风、地震动联合作用下风电机组结构响应特性,为风电机结构的设计提供建议。
【图文】：

示意图,域模型,流体,示意图

L(0,0)2D图 2-8 流体域模型示意图Fig 2-8 Fluid domain model diagramCBrAhl图 2-9 固体域模型示意图Fig 2-9 Solid domain model diagram入口流体速度函数如下所示：2( ) 4.0(0, y) 1.5 1.5 (0.41 )0.1681( )2fy H yv U U y yH = = （2-37）1 cos( )2(0, ) if t<2fftv y π

示意图,域模型,固体,示意图

该模型具体描述的是一个带有柔性尾梁的刚性圆柱绕流问题，其流体域模型示意图如图 2-8 所示，图中流体域高度 H=0.41，长度 L=1.1，刚体圆柱直径 D=0.1，柔性梁长度l=0.35，柔性梁厚度h=0.02；其固体域模型示意图如图2-9所示，A(0.6，0.2)、B(0.15，，0.2)、C(0.2，0.2)分别为固体域特征点，刚性圆柱半径 r=0.05。
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315

【参考文献】