风力机叶片流固耦合计算分析_胡丹梅

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1、第33卷第17期中国电机工程学报Vol.33No.17Jun.15,2013982013年6月15日ProceedingsoftheCSEE©2013Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2013)17-0098-07中图分类号：TK83文献标志码：A学科分类号：470·10风力机叶片流固耦合计算分析胡丹梅，张志超，孙凯，张建平(上海电力学院能源与机械环境工程学院，上海市杨浦区200090)ComputationalAnalysisofWindTurbineBladesBasedonFluid-structureInt

2、eractionHUDanmei,ZHANGZhichao,SUNKai,ZHANGJianping(CollegeofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,YangpuDistrict,Shanghai200090,China)ABSTRACT:Theanalysisofbladedeformationandvibration增大；而叶片攻角增大是导致叶片扭矩增大的主要原因。underfluid-structureinteractionisofgreatsig

3、nificanceforthe关键词：风力机；叶片；流固耦合；计算流体动力学；数值securityoflargewindturbine.Fluid-structureinteraction模拟；有限元方法computationanalysiswascarriedoutonthebladeofa5MWoffshorewindturbineunderNRELusingthek-SSTmodel0引言andslidingmeshes.Theresultsshowthatbladedeformation随着风力发电机单机输出功率的不断提高，风willocc

4、uronflap-wisedirection,edge-wisedirectionand轮叶片越来越细长，更加具有柔性。传统上一般将torsionaldirectionundertheratedwindspeedfluid-structureinteractioneffect,andthedeformationincreasesapproachingto风轮叶片简化成变截面悬臂梁，风的动力效应等效thebladetipwithnon-lineardistribution.Theareaofstress成静风力载荷来考虑。然而，实际上风力机运行于conc

5、entrationislikelytooccurinthemiddleoftheblade.The随机变动的自然大气环境中，风剪切、偏航、随机averageaerodynamicforcewithfluid-structureinteraction阵风、风力机起停等都会造成作用在风力机叶片上beingtakenintoaccountisslightlyhigherthanthatwithout的荷载变化。变化的风载与柔性叶片结构之间是耦considerationofit.Aerodynamicattackangleandtorqueof合作用会加剧风轮

6、叶片变形和结构振动，忽略这种bladeincreaseunderfluid-structureinteraction.Theincreaseofattackangleisthemainreasonfortheincreaseoftorque.耦合作用将使叶片偏离原设计点，影响气动效率，[1-2]对风力机正常运转造成较大的影响，不利于风力KEYWORDS:windturbine;blade;fluid-structureinteraction;computationalfluiddynamics(CFD);numerical机的安全运行。simulati

7、on;finiteelementmethod因此，国内外一些学者开展了风力机流固耦合摘要：流固耦合条件下风力机的叶片变形及振动分析对大型方面的研究工作。张瑞琴等人对NACA0012翼型进[3]风力机的安全具有重要意义。采用k-SST紊流模型和滑移行了流固耦合作用下的颤振研究，得到颤振频率网格技术，对美国国家可再生能源实验室5MW海上风力机与叶片低阶固有频率一致，来流速度和攻角是影响叶片进行了流固耦合计算分析。结果表明：叶片在额定风速叶片气动弹性稳定性的重要因素。吕坤[4]等人研究流固耦合作用下会发生挥舞方向、摆振方向变形和扭转变表明流固耦合过程中平

8、板振动对涡的形成产生抑形，越接近叶梢，叶片变形就越大而且变形呈非线性分布，[5]制，有利于保持