切变来流下风力机叶片应力耦合性分析
发布时间：2021-11-06 16:15
针对水平轴风力机叶片工作过程中产生裂纹、断裂等疲劳损伤问题,结合风资源数据和风力机的结构参数,将不同风切变函数的自然风来流条件编译成UDF函数对Fluent软件进行二次开发,分析两种翼型（NACA4415翼型和S翼型）风力机叶片的应力分布规律。结果显示:切变来流风速不同时,在气动力、离心力和重力耦合作用下,两种叶片从垂直向上方位按照顺时针旋转至30°位置时应力值最大,且叶片最大弦长截面靠近无因次弦长位置x/C=0.4应力值最大,NACA4415翼型叶片气动中心线（x/C=0.25）处应力沿翼展方向先增大（r/R=0.49最大）后减小,而S翼型叶片沿气动中心线逐渐减小;在相同切变来流风速下,S型叶片的截面尺寸相对较大,气动力、离心力和重力均大于NACA4415型叶片,其应力值也较大;关键位置气动中心线处的应力值较叶片前缘、后缘以及叶背最高处位置的应力都大。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化具有重要的参考价值。
【文章来源】：工程热物理学报. 2019,40(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
水平轴风力机模型
额定尖速比Ａ??５??额定尖速比Ａ??５．５??风轮直径ｄ／ｍ??１．４??风轮直径ｄ／ｍ??１．４??塔架高度ｈ／ｍ??１．７??塔架高度／ｉ．／ｍ??１．７??为了实现模拟计算结果与实验研究结果的对比，??以保证模拟计算结果的可靠性，本文参照内蒙古工??业大学Ｂ１／Ｋ１低速风速开口段实际尺寸，设定长??方体计算域的高度为２．５ｄ，宽度为３．６４ｄ；风力机位??于计算域中心，距进流面２ｄ距离；计算域出流面??距离风力机ＨＷ。构建与实际风轮１：１的物理模型，??划分计算域网格如图２所示。计算网格划分采用非??结构化四面体网格，检查网格质量以及验证网格无??关性。??图２计算网格??Ｆｉｇ．?２?Ｍｅｓｈ??定义风轮旋转轴中心的几何中心为坐标原点〇，??从０点顺着来流平行地面的方向为ｙ轴的正方??
２５７６??工程热物理学报??４０卷??向，与风轮旋转轴重合，Ｚ轴垂直向上。模型出??口设置为自由流，计算域侧壁面和顶面采取对称边??界；地面、叶片表面、塔架、机头均采取无滑移壁面??边界。??１．２边界条件??选用指数函数来描述风切变来流变化，通过内??蒙古某风电场风资源数据，选用不同高度年平均风??速拟合切变来流风廓线如图３所示，设定来流风速??Ｕ－Ｕｉ?（ｚ）?＝?Ｕ?（ｚ）?＝?Ｕｒｅ｛（——??＼??式中，为高度为＾处的风速，ｍ／ｓ；?ｚ为变化??后的风速所在局度，ｍ；?Ｚｒｅｆ为塔架尚度，Ｚｒｅｆ＝１．７??ｍ；?Ｕｒｅｆ为Ｚｒｅｆ处的已知风速，Ｊ／ｒｅｆ＝６?ｍ／ｓ；?ａ为风??剪系数，ａ＝０．１９９４２。??考虑其中ＮＡＣＡ４４１５风力机的额定风速为８??ｍ／ｓ，因此设定对比切变函数中Ｋｅｆ＝８?ｍ／ｓ，其表??达式为：??［ｚ）?＝?Ｖ?（ｚ）?＝?Ｖｒｅｆ??式中，为高度为２处的风速，ｍ／ｓ。??（２）??图３不同切变函数来流速度风廓线示意图??Ｆｉｇ．?３?Ｔｈｅ?ｉｎｆｌｏｗ?ｗｉｎｄ?ｓｐｅｅｄ?ｐｒｏｆｉｌｅ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ??ｗｉｎｄ?ｓｈｅａｒ??风力机叶片在切变来流工况下，其旋转面最低??端与最高端之间拥有不同风速风剖面，并且风速??随着垂直来流风向高度的增加而增大，由定义的??切变函数公式计算可得风场数据拟合函数及对比切??变函数的风速差值分别为ｉ？ｕ＝０．８９?ｍ／ｓ和丑ｖ＝??１．３８?ｍ／ｓ。??采用编译ＵＤＦ函数模拟自然风来流条件，将??流场当中的叶片压力分布施加于结构场风力机叶片，??进而基于流固耦合方法得到叶片应力变化规律。如??图４
【参考文献】：
期刊论文
[1]风力机叶片叶根应力集中区应力状态实验研究[J]. 白叶飞,汪建文,赵元星,高志鹰,韩玉霞,杜鹏程. 太阳能学报. 2017(12)
[2]偏航工况风力机叶片流固耦合特性研究[J]. 戴丽萍,姚世刚,王晓东,康顺. 太阳能学报. 2017(04)
[3]基于遥测技术的风力机叶片动态应变特征实验研究[J]. 白叶飞,汪建文,赵元星,贺玲丽,侯亚丽. 工程热物理学报. 2014(04)
[4]小翼对风力机叶片表面压力分布的影响[J]. 汪建文,贾瑞博,吴克启,王军. 工程热物理学报. 2006(05)
本文编号：3480136
【文章来源】：工程热物理学报. 2019,40(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
水平轴风力机模型
额定尖速比Ａ??５??额定尖速比Ａ??５．５??风轮直径ｄ／ｍ??１．４??风轮直径ｄ／ｍ??１．４??塔架高度ｈ／ｍ??１．７??塔架高度／ｉ．／ｍ??１．７??为了实现模拟计算结果与实验研究结果的对比，??以保证模拟计算结果的可靠性，本文参照内蒙古工??业大学Ｂ１／Ｋ１低速风速开口段实际尺寸，设定长??方体计算域的高度为２．５ｄ，宽度为３．６４ｄ；风力机位??于计算域中心，距进流面２ｄ距离；计算域出流面??距离风力机ＨＷ。构建与实际风轮１：１的物理模型，??划分计算域网格如图２所示。计算网格划分采用非??结构化四面体网格，检查网格质量以及验证网格无??关性。??图２计算网格??Ｆｉｇ．?２?Ｍｅｓｈ??定义风轮旋转轴中心的几何中心为坐标原点〇，??从０点顺着来流平行地面的方向为ｙ轴的正方??
２５７６??工程热物理学报??４０卷??向，与风轮旋转轴重合，Ｚ轴垂直向上。模型出??口设置为自由流，计算域侧壁面和顶面采取对称边??界；地面、叶片表面、塔架、机头均采取无滑移壁面??边界。??１．２边界条件??选用指数函数来描述风切变来流变化，通过内??蒙古某风电场风资源数据，选用不同高度年平均风??速拟合切变来流风廓线如图３所示，设定来流风速??Ｕ－Ｕｉ?（ｚ）?＝?Ｕ?（ｚ）?＝?Ｕｒｅ｛（——??＼??式中，为高度为＾处的风速，ｍ／ｓ；?ｚ为变化??后的风速所在局度，ｍ；?Ｚｒｅｆ为塔架尚度，Ｚｒｅｆ＝１．７??ｍ；?Ｕｒｅｆ为Ｚｒｅｆ处的已知风速，Ｊ／ｒｅｆ＝６?ｍ／ｓ；?ａ为风??剪系数，ａ＝０．１９９４２。??考虑其中ＮＡＣＡ４４１５风力机的额定风速为８??ｍ／ｓ，因此设定对比切变函数中Ｋｅｆ＝８?ｍ／ｓ，其表??达式为：??［ｚ）?＝?Ｖ?（ｚ）?＝?Ｖｒｅｆ??式中，为高度为２处的风速，ｍ／ｓ。??（２）??图３不同切变函数来流速度风廓线示意图??Ｆｉｇ．?３?Ｔｈｅ?ｉｎｆｌｏｗ?ｗｉｎｄ?ｓｐｅｅｄ?ｐｒｏｆｉｌｅ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ??ｗｉｎｄ?ｓｈｅａｒ??风力机叶片在切变来流工况下，其旋转面最低??端与最高端之间拥有不同风速风剖面，并且风速??随着垂直来流风向高度的增加而增大，由定义的??切变函数公式计算可得风场数据拟合函数及对比切??变函数的风速差值分别为ｉ？ｕ＝０．８９?ｍ／ｓ和丑ｖ＝??１．３８?ｍ／ｓ。??采用编译ＵＤＦ函数模拟自然风来流条件，将??流场当中的叶片压力分布施加于结构场风力机叶片，??进而基于流固耦合方法得到叶片应力变化规律。如??图４
【参考文献】：
期刊论文
[1]风力机叶片叶根应力集中区应力状态实验研究[J]. 白叶飞,汪建文,赵元星,高志鹰,韩玉霞,杜鹏程. 太阳能学报. 2017(12)
[2]偏航工况风力机叶片流固耦合特性研究[J]. 戴丽萍,姚世刚,王晓东,康顺. 太阳能学报. 2017(04)
[3]基于遥测技术的风力机叶片动态应变特征实验研究[J]. 白叶飞,汪建文,赵元星,贺玲丽,侯亚丽. 工程热物理学报. 2014(04)
[4]小翼对风力机叶片表面压力分布的影响[J]. 汪建文,贾瑞博,吴克启,王军. 工程热物理学报. 2006(05)
本文编号：3480136
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