CN101532906A - 风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，结合CFD与CAE方法，采用动量叶素理论确定叶轮模型各参数，设计叶片实体模型，基于Gambit软件平台建立风力机叶片、轮毂、及周围风场的三维模型，采用局部结构化方法对模型进行网格划分，设置合适的边界条件，基于Fluent软件平台对有限元进行性能计算，提取叶片转矩计算叶片功率及叶片效率，基于ansys软件平台建立叶片结构模型并进行网格划分，施加载荷及约束条件，对叶片结构进行模态分析，对由Fluent软件平台获得的压强分布进行等力矩处理，于ansys软件平台中施加压强面载荷，对风力发电机叶片进行结构力学特性计算，提取叶片变形及应力分布特性。

Description

风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法

技术领域

本发明属于流体动力学和结构力学领域，涉及一种风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，特别是一种采用动量叶素理论设计叶片实体，基于Gambit软件平台建立模型，基于Fluent软件平台进行流体动力学性能计算，联合ansys软件平台进一步分析叶片本体的结构力学特性。

背景技术

目前，对可再生能源特别是对风能的开发利用已受到世界各国的高度重视。风能是一种清洁能源，它是由太阳辐射造成地球表面大气层受热不均，引起大气压力差造成的，它的本质是太阳能的一种表现形式。

风力机叶轮是将风的动能有效的转换为机械能和电能的核心部件。风力机转子形式繁多，目前主要涉及的是效率高、制造工艺简单、最常用的螺旋桨形风力机叶片。

叶片设计主要涉及四个基本气动理论——Betz理论，涡流理论、叶素理论和动量理论。Rankine在1865年用线性动量理论形成了螺旋桨流场的简单模型。GlauertIV用动量理论结合叶素理论来分析螺旋桨、风车等周围的流动并将Rankine-Froude一维流扩展为有旋转作用的二维流。Wilson和Lissaman将动量—叶素理论应用于风力机，形成了经典的动量—叶素理论。风力机叶片设计先后经历了简化设计模型、Schmitz模型、Glauert模型和Wilson模型。简化设计模型基于圆盘理论，只考虑了轴向干扰系数a。Schmitz模型、Glauert模型和Wilson模型基于涡流理论，Schmitz模型、Glauert模型考虑了轴向干扰系数a和切向干扰系数b，Wilson模型在此基础上又考虑了阻力系数和叶尖损失的影响。当风力发电机处于静止状态或受定常风作用时，可以在模型的基础上对风力机进行静态模拟计算。

风力机总是在非定常空气动力环境中运行，非定常因素包括大气紊流、风剪切、风向的变化(侧偏风)和塔影效应等，这些现象使叶片受到非定常气动载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。另外，在风力机的研制过程中，还有许多问题没有解决，比如与气动设计相关的主要问题有风轮翼型特性、静态失速、动态失速、尖部损失等，解决这些问题对提高风力机的效率至关重要。

Himmelskamp对螺旋桨做的实验表明，旋转延迟了失速的发生，而且升力系数与二维时相比增大了。为了解释Himmelskamp的实验结果，Banks和Gradd推导了一系列的方程，通过哥氏力和离心力项耦合，并假设了线性压力梯度的分布。得到的解表明层流分离点的位置延迟了，而且在近轮毂处，边界层完全稳定。离心力导致一个向外的径向流动使叶片边界层变薄，哥氏力则导致一个附加的正压力梯度，这些都使得边界层风力机叶片的非定常空气动力特性计算分离延迟，最大升力系数增加，由此可见旋转是影响风力机叶片气动特性的极其重要的因素。

计算风力机叶片的气动特性的方法有动量—叶素理论、涡尾迹法和更为复杂的CFD方法。从物理意义上说，数值求解Navier-Stokes方程的CFD方法应该是最全面准确计算风力机气动特性的方法。随着计算机工业和计算方法的飞速发展，CFD方法越来越得到人们的重视，最终将为风力机研究者提供精确的气动特性计算结果。

但目前还存在以下不足：①目前更多的仍然是对风力机叶片的动量-叶素理论分析，这不够精确的描述风力机叶片的气动特性。在风力机的研制过程中，还有许多问题没有解决，比如与气动设计相关的主要问题有风轮翼型特性、静态失速、动态失速、尖部损失等，解决这些问题对提高风力机的效率至关重要。

②没有将叶片的流体动力学分析与结构力学分析联合起来，分析风力机叶片本体结构及周围流场的特性。

发明内容

针对目前对风力机叶片分析存在的不足，本发明提供一种风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，该分析方法结合计算流体动力学CFD与计算机辅助工程CAE方法，对风力发电机叶片运行环境中的流场内部及叶片结构内部分别进行了流体动力学分析和结构力学分析，为改进设计，提高风力机性能，提供了重要途径和方向。

本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：

一种风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，其特征在于该分析方法按如下步骤实现：

A、采用动量叶素理论中的Glauert模型设计叶片的实体模型：

A1.确定特征风速：利用以下风速概率密度威布尔函数分布表达式：

$f\left(V\right)=\frac{K}{C}*{\left(\frac{V}{C}\right)}^{K-1}*e^{-{\left(\frac{V}{C}\right)}^K}---\left(1\right)$

推导出风力发电机功率概率模型：

$P\left(V\right)=\frac{\mathrm{\η}}{2}*\mathrm{\π}*R^2*\mathrm{\ρ}*V^3*\frac{K}{C}*{\left(\frac{V}{C}\right)}^{K-1}*e^{-{\left(\frac{V}{C}\right)}^K}---\left(2\right)$

将功率密度概率模型的峰值对应的风速定为额定风速，对功率密度概率模型求导，由P′(V)＝0得额定风速V_n表达式：

$V_n=C*\sqrt[K]{\frac{K+2}{K}}---\left(3\right)$

式中：K为形状参数；C为尺寸参数；η为机电效率；R为风力机半径；ρ为空气密度；

A2.确定叶轮直径：由给定风力发电机输出功率，计算风力机叶轮直径：

$D=\sqrt{\frac{P_n}{C_p*\mathrm{\η}*\mathrm{\ρ}/2*{V_n}^3*\mathrm{\π}/4}}---\left(4\right)$

式中：D为叶轮直径，P_n为风力发电机的额定输出功率，C_p为风能利用系数，η为机电效率；ρ为空气密度；V_n为额定风速，取为8m/s；

A3.确定翼型：采用NACA4418翼型，平均雷诺数为600000，以5°作为设计攻角；

A4.确定转速：由尖速比的定义，确定风力机的转速：

$N=\frac{60}{\mathrm{\π}}*\frac{V}{D}*\mathrm{\λ}---\left(5\right)$

式中：N为风力机的转速；λ为叶轮尖速比，取为10；

A5.确定叶片数：风力机叶片数取为3；

A6.确定安装角和弦长：安装角和弦长的计算过程为：

由功率极值条件确定轴向干扰系数a及径向干扰系数b，功率极值条件为：

$\left\{\begin{array}{cc}{b}_i=\frac{1-3a_i}{4a_i-1}& \left(6\right)\\ b_i{{\mathrm{\λ}}_i}^2=(1-a_i)*(4a_i-1)& \left(7\right)\end{array}\right.$

式中：λ_i为r_i处尖速比；a_i为r_i处轴向干扰系数；b_i为r_i处切向干扰系数；

r_i为径向半径，弦长及安装角计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{arctg}\left(\frac{1-a_i}{1+b_i}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}\right)-a_i---\left(8\right)$

$C_i=\frac{8\mathrm{\π}{a}_i}{1-a_i}\frac{{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_i}{\cos {\mathrm{\φ}}_i}\frac{r_i}{{\mathrm{BC}}_L}---\left(9\right)$

式中：θ_i为r_i处的安装角；C_i为r_i处弦长；φ_i为相对迎风角，φ_i＝α_i+θ_i；B为叶片数；C_L为最佳升力系数，C_L＝118；

B、基于Gambit软件平台建立风力机叶片、轮毂及周围风场的三维模型的步骤如下：

B1.由翼型截面坐标数据，基于Gambit软件平台画出单位截面；

B2.根据设计的弦长及安装角，沿径向复制截面；

B3.基于Gambit软件平台的蒙皮技术，画出连续的迎风面和背风面；

B4.由生成的面构造单个叶片的体单元，调整体单元的安装角达设计值；

B5.复制单个体单元，沿圆周等120°角分布，生成3叶片风力机叶片；

B6.按轮毂半径为风轮半径的1/50，轮毂长度为风轮半径的1/2画出轮毂；

B7.按上风向为风轮半径的1.5倍，下风向选择风轮半径的7.5倍，而风轮空间半径选择为风轮半径的5倍，画出风场区域；

B8.按圆柱半径为风轮半径的1.1倍，圆柱长度为风轮半径的1/10画出圆柱区域，将叶片包含；

B9.对包含叶片的圆柱区域进行非结构化网格划分，对其它区域进行结构化网格划分；

C、设置风力发电机叶片及外界风场边界条件如下：

C1.进口边界条件设置为velocity inlet，流动方向为轴向进气；

C2.出口边界条件设置为outflow；

C3.风轮空间壁面设置成对称边界；

C4.压力初始化为1atm，压力参考点选择入口中心点；

D、基于Fluent软件平台，对网格模型进行性能计算的步骤如下：

D1.采用RNG k-ε湍流模型；

D2.采用segregated隐式求解器；

D3.采用sliding mesh法模拟风力发电机叶片的转动；

D4.采用simplec算法求解三维时均雷诺N-S方程；

D5.压力离散格式选用PRESTO！，其他变量和湍流参数都用二阶迎风格式离散；

E、基于Ansys软件平台建立叶片模型并进行网格划分的过程如下：

E1.将Gambit软件平台中建立的叶片形状保存为*.Sat文件，由Ansys软件平台读入*.Sat文件，进行两大平台数据交换；

E2.选择叶片单元类型为solid92，设置叶片材料特性：密度为2×10³kg/m³；

弹性模量为1.93×10¹⁰Pa；泊松比为0.15；

E3.细分叶片的根部和端部网格，而后对叶片进行自由网格划分；

F、基于Ansys软件平台的模态分析过程如下：

F1.基于E中所述模型及网格，选择模态分析，采用子空间法作为模态提取方式，分析5阶自振频率；

F2.载荷形式为：叶片根部固定，叶尖为自由端；

F3.分析得到叶片一阶固有自振频率远远大于来流对旋转叶片的激振频率时，进行下一步静力分析时，三叶片风轮旋转时叶片的激振频率函数为：

$f=\frac{3\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}\left(\mathrm{HZ}\right)---\left(10\right)$

式中：ω——叶片转速；

G、基于Ansys软件平台的结构静力的分析过程如下：

G1.基于E中所述模型及网格，选择结构静力分析，载荷形式为叶片根部固定，叶尖为自由端；

G2.将Fluent软件平台中分析所得的压强值进行等力矩处理，而后在Ansys软件平台中施加压强的面载荷；

G3.施加重力场；

本发明在叶片安装角变化下的分析方法包括以下步骤：

H1.保持来流风速及叶片转速不变；

H2.改变叶片的安装角，即改变来流风对叶片的攻角，在Fluent软件平台中对各攻角下模型进行性能计算；

H3.待计算收敛，提取叶片轴向转矩，计算叶片功率及叶片效率，导出压强分布数据，由叶片转矩求得叶片输出功率及叶片效率的函数为：

Pb＝T*N*2π/60                                     (11)

式中：Pb为叶片输出功率；T为转距；N为叶轮的转速；

Cp＝Pb/E                                          (12)

$E=\frac{1}{2}*\mathrm{\ρ}*V^3*\mathrm{\π}*R^2---\left(13\right)$

式中：Cp为叶片效率；E为叶片扫掠面来流风能；；

H4.根据性能计算数据，分析叶片功率-攻角、叶片效率-攻角流体动力学特性；

H5.对Fluent软件平台中分析所得的压强分布进行等力矩处理，在Ansys软件平台中施加处理后的平均压强面载荷于叶片，对Fluent软件平台中分析所得的压强分布进行等力矩处理的函数为：

式中：P_i为各点压力值；r_i为各点径向半径；P′_平均为各点压力平均值；

根据结构计算结果，分析叶片的最大应力-攻角、最大变形-攻角结构特性。本发明在叶片转速变化下的分析方法包括以下步骤：

I1.保持叶片安装角及来流风速不变；

I2.改变叶片转速，在Fluent软件平台中对各转速下模型进行性能计算；

I3.待计算收敛，提取叶片轴向转矩，计算叶片功率及叶片效率，导出压强分布数据，由叶片转矩求得叶片输出功率及叶片效率的函数为：

Pb＝T*N*2π/60                (15)

式中：Pb为叶片输出功率；T为转距；N为叶轮的转速；

Cp＝Pb/E                      (16)

$E=\frac{1}{2}*\mathrm{\ρ}*V^3*\mathrm{\π}*R^2---\left(17\right)$

式中：Cp为叶片效率；E为叶片扫掠面来流风能；

I4.根据性能计算数据，分析叶片功率-转速、叶片效率-转速流体动力学特性；

I5.在Ansys软件平台中施加处理后的平均压强面载荷于叶片，根据结构计算结构，分析叶片的最大应力-转速、最大变形-转速结构特性，对Fluent软件平台中分析所得的压强分布进行等力矩处理的函数为：

式中：P_i为各点压力值；r_i为各点径向半径；P′_平均为各点压力平均值；

根据结构计算结果，分析叶片的最大应力-转速、最大变形-转速结构特性。

与现有分析方法相比，本发明的风力发电机叶片的流体动力学分析和结构力学分析方法有以下优点：

1、在设计工况下，数值模拟解得的叶片功率输出及叶片效率与设计值基本吻合，变工况下，叶片功率曲线及叶片效率曲线服从翼型及叶片气动特性的规律。

2、在设计的工况下，分析出叶尖损失产生了明显的影响，在大攻角及小转速下，叶尖损失对风力发电机叶片功率和叶片效率的影响更加明显。设计过程中，可适当减小叶尖的迎风角，减弱叶尖损失对风力发电机功率及效率的影响，为叶片设计提供了依据。

3、获得了攻角-叶片功率、攻角-叶片效率、转速-叶片功率、转速-叶片效率曲线，为深入分析叶片气动特性提供依据。

4、采用模态分析证实在讨论的工况范围内叶片的固有频率远大于载荷变化频率，为静力分析提供依据，静力分析所得的叶片变形可以为叶片安装提供数据参考，以保证叶片变形后不会撞击塔架，造成损坏。

5、获得了攻角-最大应力、攻角-最大变形、转速-最大应力、转速-最大变形曲线，为设计叶片内部结构和控制叶片运行转态提供了参考。

附图说明

图1是本发明中翼型及翼型Cl/Cd-α特性图。

图2是本发明中风力机叶片及周围风场模型图。

图3是本发明中设计工况叶片功率随攻角变化。

图4是本发明中设计工况叶片效率随攻角变化。

图5是本发明中设计工况叶片最大应力-攻角曲线。

图6是本发明中设计工况叶片最大变形-攻角曲线。

图7是本发明中设计工况叶片功率随转速变化曲线。

图8是本发明中设计工况叶片效率随转速变化曲线。

图9是本发明中设计工况叶片最大应力随转速变化。

图10是本发明中设计工况叶片最大变形随转速变化。

具体实施方式

一种本发明所述的风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，结合CFD与CAE方法，对风力发电机叶片运行环境中的流场内部及叶片结构内部分别进行了流体动力学分析和结构力学分析。本发明主要分为三个方面：一是动量叶素理论设计叶轮叶片，由选定的功率、尖速比及翼型特性，选择在最优工况下设计叶片。二是基于Gambit软件平台建立模型、划分网格、设置边界，基于Fluent软件平台进行叶片气动特性的分析。三是根据气动分析所得的面载荷分布，在ansys软件平台中对叶片施加面载荷进行结构力学分析。

风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法按如下步骤实现：

A、采用动量叶素理论中的Glauert模型设计叶片的实体模型：

A1.确定特征风速：利用以下风速概率密度威布尔函数分布表达式：

$f\left(V\right)=\frac{K}{C}*{\left(\frac{V}{C}\right)}^{K-1}*e^{-{\left(\frac{V}{C}\right)}^K}---\left(1\right)$

推导出风力发电机功率概率模型：

$P\left(V\right)=\frac{\mathrm{\η}}{2}*\mathrm{\π}*R^2*\mathrm{\ρ}*V^3*\frac{K}{C}*{\left(\frac{V}{C}\right)}^{K-1}*e^{-{\left(\frac{V}{C}\right)}^K}---\left(2\right)$

将功率密度概率模型的峰值对应的风速定为额定风速，对功率密度概率模型求导，由P′(V)＝0得额定风速Vn表达式：

$V_n=C*\sqrt[K]{\frac{K+2}{K}}---\left(3\right)$

式中：K为形状参数；C为尺寸参数；η为机电效率；R为风力机半径；ρ为空气密度；

A2.确定叶轮直径：由给定风力发电机输出功率，计算风力机叶轮直径：

$D=\sqrt{\frac{P_n}{C_p*\mathrm{\η}*\mathrm{\ρ}/2*{V_n}^3*\mathrm{\π}/4}}---\left(5\right)$

式中：D为叶轮直径，P_n为风力发电机的额定输出功率，C_p为风能利用系数，η为机电效率；ρ为空气密度；V_n为额定风速，取为8m/s；

A3.确定翼型：采用NACA4418翼型，如附图1，平均雷诺数为600000，以5°作为设计攻角；

A4.确定转速：由尖速比的定义，确定风力机的转速：

$N=\frac{60}{\mathrm{\π}}*\frac{V}{D}*\mathrm{\λ}---\left(6\right)$

式中：N为风力机的转速；λ为叶轮尖速比，取为10；

A5.确定叶片数：风力机叶片数取为3；

A6.确定安装角和弦长：安装角和弦长的计算过程为：

由功率极值条件确定轴向干扰系数a及径向干扰系数b，功率极值条件为：

$\left\{\begin{array}{cc}{b}_i=\frac{1-3a_i}{4a_i-1}& \left(7\right)\\ b_i{{\mathrm{\λ}}_i}^2=(1-a_i)*(4a_i-1)& \left(8\right)\end{array}\right.$

式中：λ_i为r_i处尖速比；a_i为r_i处轴向干扰系数；b_i为r_i处切向干扰系数；r_i为径向半径，弦长及安装角计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{arctg}\left(\frac{1-a_i}{1+b_i}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}\right)-a_i---\left(9\right)$

$C_i=\frac{8\mathrm{\π}{a}_i}{1-a_i}\frac{{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_i}{\cos {\mathrm{\φ}}_i}\frac{r_i}{{\mathrm{BC}}_L}---\left(10\right)$

式中：θ_i为r_i处的安装角；C_i为r_i处弦长；φ_i为相对迎风角，φ_i＝α_i+θ_i；B为叶片数；C_L为最佳升力系数，C_L＝118；C_i、θ_i数值见表1：

B、基于Gambit软件平台建立风力机叶片、轮毂及周围风场的三维模型，模型如附图2，步骤如下：

B1.由翼型截面坐标数据，基于Gambit软件平台画出单位截面；

B2.根据设计的弦长及安装角，沿径向复制截面；

B3.基于Gambit软件平台的蒙皮技术，画出连续的迎风面和背风面；

B4.由生成的面构造单个叶片的体单元，调整体单元的安装角达设计值；

B5.复制单个体单元，沿圆周等120°角分布，生成3叶片风力机叶片；

B6.按轮毂半径为风轮半径的1/50，轮毂长度为风轮半径的1/2画出轮毂；

B7.按上风向为风轮半径的1.5倍，下风向选择风轮半径的7.5倍，而风轮空间半径选择为风轮半径的5倍，画出风场区域；

B8.按圆柱半径为风轮半径的1.1倍，圆柱长度为风轮半径的1/10画出圆柱区域，将叶片包含；

B9.对包含叶片的圆柱区域进行非结构化网格划分，对其它区域进行结构化网格划分；

41个截面的安装角和弦长见表1。

表1 41个截面的安装角和弦长

 

截面位置	Cr(m)	Θr(°)	截面位置	Cr(m)	Θr(°)
						0.1000	0.3169	49.9492	6.5625	0.3570	0.1627
0.3125	0.7968	43.6378	6.8750	0.3414	-0.1571
						0.6250	1.1334	35.2810	7.1875	0.3270	-0.4499
0.9375	1.2087	28.4076	7.5000	0.3138	-0.7190
						1.2500	1.1662	22.9848	7.8125	0.3016	-0.9672
1.5625	1.0821	18.7558	8.1250	0.2903	-1.1967
						1.8750	0.9898	15.4410	8.4375	0.2797	-1.4096
2.1875	0.9023	12.8095	8.7500	0.2699	-1.6076
						2.5000	0.8239	10.6886	9.0625	0.2608	-1.7922
2.8125	0.7550	8.9527	9.3750	0.2522	-1.9648
						3.1250	0.6949	7.5112	9.6875	0.2442	-2.1264
3.4375	0.6425	6.2984	10.0000	0.2366	-2.2780
						3.7500	0.5967	5.2658	10.3125	0.2295	-2.4206
4.0625	0.5565	4.3772	10.6250	0.2228	-2.5549
						4.3750	0.5209	3.6052	10.9375	0.2164	-2.6817
4.6875	0.4894	2.9289	11.2500	0.2105	-2.8015
						5.0000	0.4613	2.3318	11.5625	0.2048	-2.9149
5.3125	0.4360	1.8011	11.8750	0.1994	-3.0224
						5.6250	0.4133	1.3263	12.1875	0.1943	-3.1244
5.9375	0.3927	0.8994	12.5000	0.1894	-3.2214
						6.2500	0.3740	0.5133

C、设置风力发电机叶片及外界风场边界条件如下：

C1.进口边界条件设置为velocity inlet，流动方向为轴向进气；

C2.出口边界条件设置为outflow；

C3.风轮空间壁面设置成对称边界；

C4.压力初始化为1atm，压力参考点选择入口中心点；

D、基于Fluent软件平台，对网格模型进行性能计算的步骤如下：

D1.采用RNG k-ε湍流模型；

D2.采用segregated隐式求解器；

D3.采用sliding mesh法模拟风力发电机叶片的转动；

D4.采用simplec算法求解三维时均雷诺N-S方程；

D5.压力离散格式选用PRESTO！，其他变量和湍流参数都用二阶迎风格式离散；

E、基于Ansys软件平台建立叶片模型并进行网格划分的过程如下：

E1.将Gambit软件平台中建立的叶片形状保存为*.Sat文件，由Ansys软件平台读入*.Sat文件，进行两大平台数据交换；

E2.选择叶片单元类型为solid92，设置叶片材料特性见表2：

表2 叶片材料特性

 

密度(kg/m3)	弹性模量(Pa)	泊松比
			2E+3	1.93E+10	0.15

E3.细分叶片的根部和端部网格，而后对叶片进行自由网格划分；

F、基于Ansys软件平台的模态分析过程如下：

F1.基于E中所述模型及网格，选择模态分析，采用子空间法作为模态提取方式，分析5阶自振频率；

F2.载荷形式为：叶片根部固定，叶尖为自由端；

F3.分析得到叶片一阶固有自振频率远远大于来流对旋转叶片的激振频率时，进行下一步静力分析时，5阶自振频率见表3，三叶片风轮旋转时叶片的激振频率函数为：

$f=\frac{3\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}\left(\mathrm{HZ}\right)---\left(11\right)$

式中：ω——叶片转速；

表3 5阶固有频率

 

阶次	1	2	3	4	5
						频率(HZ)	0.66987	0.67109	0.67464	2.0131	2.0133

G、基于Ansys软件平台的结构静力的分析过程如下：

G1.基于E中所述模型及网格，选择结构静力分析，载荷形式为叶片根部固定，叶尖为自由端；

G2.将Fluent软件平台中分析所得的压强值进行等力矩处理，而后在Ansys软件平台中施加压强的面载荷；

G3.施加重力场；

本发明在叶片安装角变化下的分析方法包括以下步骤：

H1.保持来流风速及叶片转速不变；

H2.改变叶片的安装角，即改变来流风对叶片的攻角，在Fluent软件平台中对各攻角下模型进行性能计算；

H3.待计算收敛，提取叶片轴向转矩，计算叶片功率及叶片效率，导出压强分布数据，由叶片转矩求得叶片输出功率及叶片效率的函数为：

Pb＝T*N*2π/60                           (12)

式中：Pb为叶片输出功率；T为转距；N为叶轮的转速；

Cp＝Pb/E                                 (13)

$E=\frac{1}{2}*\mathrm{\ρ}*V^3*\mathrm{\π}*R^2---\left(14\right)$

式中：Cp为叶片效率；E为叶片扫掠面来流风能；；

H4.根据性能计算数据，分析叶片功率-攻角、叶片效率-攻角流体动力学特性，见附图3、附图4；

H5.对Fluent软件平台中分析所得的压强分布进行等力矩处理，在Ansys软件平台中施加处理后的平均压强面载荷于叶片，对Fluent软件平台中分析所得的压强分布进行等力矩处理的函数为：

式中：P_i为各点压力值；r_i为各点径向半径；P′_平均为各点压力平均值；

根据结构计算结果，分析叶片的最大应力-转速、最大变形-转速结构特性，见表4，附图5、附图6。

本发明在叶片转速变化下的分析方法包括以下步骤：

I1.保持叶片安装角及来流风速不变；

I2.改变叶片转速，在Fluent软件平台中对各转速下模型进行性能计算；

I3.待计算收敛，提取叶片轴向转矩，计算叶片功率及叶片效率，导出压强分布数据，由叶片转矩求得叶片输出功率及叶片效率的函数为：

Pb＝T*N*2π/60                  (16)

式中：Pb为叶片输出功率；T为转距；N为叶轮的转速；

Cp＝Pb/E                       (17)

$E=\frac{1}{2}*\mathrm{\ρ}*V^3*\mathrm{\π}*R^2---\left(18\right)$

式中：Cp为叶片效率；E为叶片扫掠面来流风能；；

I4.根据性能计算数据，分析叶片功率-转速、叶片效率-转速流体动力学特性，见附图7、附图8；

I5.在Ansys软件平台中施加处理后的平均压强面载荷于叶片，根据结构计算结构，分析叶片的最大应力-转速、最大变形-转速结构特性，对Fluent软件平台中分析所得的压强分布进行等力矩处理的函数为：

式中：P_i为各点压力值；r_i为各点径向半径；P′_平均为各点压力平均值；

根据结构计算结果，分析叶片的最大应力-转速、最大变形-转速结构特性，见表5、附图9、附图10。

表4 设计工况下叶片应力及变形随攻角变化

表5 设计工况下叶片应力及变形随转速变化

Claims (6)

1、一种风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，其特征在于该分析方法按如下步骤实现：

A、采用动量叶素理论中的Glauert模型设计叶片的实体模型：

A1.确定特征风速：利用以下风速概率密度威布尔函数分布表达式：

$f\left(V\right)=\frac{K}{C}*{\left(\frac{V}{C}\right)}^{K-1}*e^{-{\left(\frac{V}{C}\right)}^K}---1$

得出风力发电机功率概率模型：

$P\left(V\right)=\frac{\mathrm{\η}}{2}*\mathrm{\π}*R^2*\mathrm{\ρ}*V^3*\frac{K}{C}*{\left(\frac{V}{C}\right)}^{K-1}*e^{-{\left(\frac{V}{C}\right)}^K}---2$

将功率密度概率模型的峰值对应的风速定为额定风速，对功率密度概率模型求导，由P′(V)＝0得额定风速V_n表达式：

$V_n=C*\sqrt[k]{\frac{K+2}{K}}---3$

式中：K为形状参数；C为尺寸参数；V为风速；η为机电效率；R为风力机半径；ρ为空气密度；

A2.确定叶轮直径：由给定风力发电机输出功率，计算风力机叶轮直径：

$D=\sqrt{\frac{P_n}{C_p*\mathrm{\η}*\mathrm{\ρ}/2*V_n^3*\mathrm{\π}/4}}---4$

式中：D为叶轮直径；P_n为风力发电机的额定输出功率；C_p为风能利用系数，取为0.35，η为机电效率，取为0.81；ρ为空气密度；V_n为额定风速，取为8m/s；

A3.确定翼型：采用NACA4418翼型，平均雷诺数为600000，以5°作为设计攻角；

A4.确定转速：由尖速比的定义，确定风力机的转速：

$N=\frac{60}{\mathrm{\π}}*\frac{V}{D}*\mathrm{\λ}---5$

式中：N为风力机的转速；V为风速；D为叶轮直径；λ为叶轮尖速比，取为10；

A5.确定叶片数：风力机叶片数取为3；

A6.确定安装角和弦长：安装角和弦长的计算过程为：

由功率极值条件确定轴向干扰系数a及径向干扰系数b，功率极值条件为：

$\left\{\begin{array}{cc}{b}_i=\frac{1-3a_i}{{4a}_i-1}& 6\\ b_i{\mathrm{\λ}}_i^2=(1-a_i)*({4a}_i-1)& 7\end{array}\right.$

式中：b_i为r_i处切向干扰系数；α_i为r_i处轴向干扰系数；λ_i为r_i处尖速比；

r_i为径向半径，弦长及安装角计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{arctg}\left(\frac{1-a_i}{1+b_i}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}\right)-a_i---8$

$C_i=\frac{8\mathrm{\π}{a}_i}{1-a_i}\frac{{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_i}{\cos {\mathrm{\φ}}_i}\frac{r_i}{{\mathrm{BC}}_L}---9$

式中：θ_i为r_i处的安装角；C_i为r_i处弦长；φ_i为相对迎风角，φ_i＝α_i+θ_i；α_i为r_i处迎风角；B为叶片数；C_L为最佳升力系数，C_L为118；

B、基于Gambit软件平台建立风力机叶片、轮毂及周围风场的三维模型：

B1.由翼型截面坐标数据，基于Gambit软件平台画出单位截面；

B2.根据设计的弦长及安装角，沿径向复制截面；

B3.基于Gambit软件平台的蒙皮技术，画出连续的迎风面和背风面；

B4.由生成的面构造单个叶片的体单元，调整体单元的安装角达设计值；

B5.复制单个体单元，沿圆周等120°角分布，生成3叶片风力机叶片；

B6.按轮毂半径为风轮半径的1/50，轮毂长度为风轮半径的1/2画出轮毂；

B7.按上风向为风轮半径的1.5倍，下风向选择风轮半径的7.5倍，而风轮空间半径选择为风轮半径的5倍，画出风场区域；

B8.按圆柱半径为风轮半径的1.1倍，圆柱长度为风轮半径的1/10画出圆柱区域，将叶片包含；

B9.对包含叶片的圆柱区域进行非结构化网格划分，对其它区域进行结构化网格划分；

C、设置风力发电机叶片及外界风场边界条件如下：

C1.进口边界条件设置为进口风速，流动方向为轴向进气；

C2.出口边界条件设置为出口流动；

C3.风轮空间壁面设置成对称边界；

C4.压力初始化为1atm，压力参考点选择入口中心点；

D、基于Fluent软件平台，对网格模型进行性能计算：

D1.采用RNG k-ε湍流模型；

D2.采用segregated隐式求解器；

D3.采用sliding mesh法模拟风力发电机叶片的转动；

D4.采用simplec算法求解三维时均雷诺N-S方程；

D5.压力离散格式选用PRESTO！，其他变量和湍流参数都用二阶迎风格式离散；

E、基于Ansys软件平台建立叶片模型并进行网格划分：

E1.将Gambit软件平台中建立的叶片形状保存为*.Sat文件，由Ansys软件平台读入*.Sat文件，进行两大平台数据交换；

E2.选择叶片单元类型为solid92，设置叶片材料特性：密度为2×10³kg/m³；弹性模量为1.93×10¹⁰Pa；泊松比为0.15；

E3.细分叶片的根部和端部网格，而后对叶片进行自由网格划分；

F、基于Ansys软件平台的模态分析过程如下：

F1.基于E中所述模型及网格，选择模态分析，采用子空间法作为模态提取方式，分析5阶自振频率；

F2.载荷形式为：叶片根部固定，叶尖为自由端；

F3.分析得到叶片一阶固有自振频率远远大于来流对旋转叶片的激振频率时，进行下一步静力分析；

G、基于Ansys软件平台的结构静力的分析过程如下：

G1.基于E中所述模型及网格，选择结构静力分析，载荷形式为叶片根部固定，叶尖为自由端；

G2.将Fluent软件平台中分析所得的压强值进行等力矩处理，而后在Ansys软件平台中施加压强的面载荷；

G3.施加重力场；

H、分别分析叶片安装角变化下和叶片转速变化下的风力发电机叶片气动特性及结构受力。

2、根据权利要求1所述的风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，其特征在于所述叶片安装角变化下的分析方法包括以下步骤：

H1.保持来流风速及叶片转速不变；

H2.改变叶片的安装角，即改变来流风对叶片的攻角，在Fluent软件平台中对各攻角下模型进行性能计算；

H3.待计算收敛，提取叶片轴向转矩，计算叶片功率及叶片效率，导出压强分布数据，由等力矩函数对压强分布进行处理；

H4.根据性能计算数据，分析叶片功率-攻角、叶片效率-攻角流体动力学特性；

H5.在Ansys软件平台中施加处理后的平均压强面载荷于叶片，根据结构计算结果，分析叶片的最大应力-攻角、最大变形-攻角结构特性。

3、根据权利要求2所述的风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，其特征在于根据叶片转矩求得叶片输出功率及叶片效率的函数为：

Pb＝T*N*2π/60                                10

Cp＝Pb/E                                     11

$E=\frac{1}{2}*\mathrm{\ρ}*V^3*\mathrm{\π}*R^2---12$

式中：Pb为叶片输出功率；T为叶轮转距；N为叶轮的转速；Cp为叶片效率；E为叶片扫掠面来流风能；ρ为空气密度；V为风速；R为风力机半径。

4、根据权利要求2所述的风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，其特征在于对Fluent软件平台中分析所得的压强分布进行等力矩处理的函数为：

式中：P_i为各点压力值；r_i为各点径向半径；P′_平均为各点压力平均值。

5、根据权利要求1所述的风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，其特征在于所述叶片转速变化下的分析方法包括以下步骤：

I1.保持叶片安装角及来流风速不变；

I2.改变叶片转速，在Fluent软件平台中对各转速下模型进行性能计算；

I3.待计算收敛，提取叶片轴向转矩，计算叶片功率及叶片效率，导出压强分布数据，由等力矩函数对压强分布进行处理；

I4.根据性能计算数据，分析叶片功率-转速、叶片效率-转速流体动力学特性；

I5.在Ansys软件平台中施加处理后的平均压强面载荷于叶片，根据结构计算结果，分析叶片的最大应力-转速、最大变形-转速结构特性。

6、根据权利要求1所述的风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法，其特征在于三叶片风轮旋转时叶片的激振频率函数为：

$f=\frac{3\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}\left(\mathrm{Hz}\right)---14$

式中：ω为叶片转速。

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