基于流固耦合的垂直轴风机受力分析.docx

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1、基于流固耦合的垂直轴风机受力分析基于流固耦合的垂直轴风机受力分析   　　近年来，风力发电技术已经越来越被人们所重视，新型的风力机不断涌现，并被广泛的应用和推广。随着全球风电需要的不断增加，风力机与建筑一体化结合越来越受到人们的关注[1]。小型风力机与建筑的结合既可以满足人们对可再生能源的需求，又可以为建筑物提供充足的电能，其中的垂直轴风力机占地面积小，并且可以低风速启动、无噪音运行，比同类型风力发电机效率高出10%～20%[2-4]，安全系数相对较高，而且可以不受风向改变的影响，安装和维护较简单，因此被广泛应用于城市中。   　　摘要：为了通过流固耦合分析，探讨风机建筑一体化中垂直轴风力

2、机叶片和主轴的受力情况，结合实际工程，在结构分析软件ANSYSWorkbench[l1]中运用单向流固耦合的方法分别对风速是10m/s和50m/s时的风机叶片和主轴的静应力进行了计算分析和比较。结果表明：各种工况下，风力机叶片的最大静应力出现在叶片与主轴连接处，风力发电机叶片和主轴的最大静应力随着风速的增加而变大。静应力最高值远小于材料的屈服极限，所以静应力不会使风机叶片和主轴结构产生破坏。叶片与主轴的连接处都出现了应力集中现象，为了防止疲劳破坏，可以适当地加厚叶片和主轴连接处的厚度。   　　关键词：垂直轴风力机,风机建筑一体化,流固耦合,静应力,结构分析,主轴,叶片 ——文章来源网络，

3、仅供个人学习参考  　　城市中的风力机主要应用于高楼之间和楼顶区域，而垂直轴风力机因其独特的造型，一般被应用在建筑物顶部，它可以作为一个独立的电源为建筑物提供电能。由于节能减排和发展生态型社会的需求，垂直轴风力机与建筑一体化已经越来越受到人们重视[5]。   　　本文结合实际工程，在一座高为12m的建筑物顶端安装500W的小型垂直轴风力机，通过数值模拟，分析风力机在正常风速的工作环境下叶片和支架的整体安全性。研究工作运用流固耦合的原理，首先通过CFD分析分别计算在额定风速和最大安全风速下风机周围流场的风压分布情况，然后利用流固耦合的方法将风压力载荷精确地加载到风机结构表面，对风机叶片和主轴

4、进行应力结构计算。   　　1计算原理和方法   　　1.1紊流模型   　　紊流是日常生活中最常见的流动类型。其特征是各层流体互相混掺，流体质点作不规则运动，而这种不规则表现为流动参数随时间和空间随机变化，所以，只能根据这些参数的统计平均值来区别各种紊流流态[6-7]。紊流的基本特征有：不规则性、扩散性、高雷诺数、涡度脉动的三维性、耗散性和连续性。水轮机流道内的流动大多是紊流，所以需要紊流模型来描述。   　　本文采用SSTk-ω模型。标准k-ω模型是在考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播等因素而对Wilcoxk-ω模型做的修改[8]。Wilcoxk-ω模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流

5、、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以适用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。SSTk-ω模型是标准k-ω模型的一个变形，由Menter[9]在1994年提出，它可以独立于k-ε模型，使得在靠近壁面的自由流中k-ω模型有广泛的应用范围和精度。   　　叶片是风机的核心部件，具有复杂的弯扭形状的三维叶片。风机运行时处在高度复杂的流场中，这就导致了其应力分布状况十分复杂。叶片的应力状态是设计、运行和事故分析中的重要参数，故叶片应力计算的精确与否直接关系到转轮应力分析的准确性[10-11]。由于叶片处在流场中工作，叶片的表面会受到——文章来源网络，仅供个人学习参考风压力的作用，风压力从进

6、口边到出口边逐渐变化。   　　本文采用弱流固耦合的方法对垂直轴风力机叶片和主轴进行了强度分析，计算了叶片和主轴的稳态应力、应变和变形，并对此作了分析。   　　1.2流固耦合计算   　　单向流固耦合主要用于流场与固体相互作用后，固体变形不大，就是说流场的边界条件改变较小，不影响流场的分布情况。安装在建筑物顶端的垂直轴风力发电机正好适用于此种分析方法[12]。   　　主要的计算思路是首先考虑流体对固体的影响，对流体域进行CFD数值模拟，计算出风力发电机结构表面风压载荷，然后将风压载荷加载到风机结构表面[13]，对其加载适当的约束后进行有限元分析。   　　1.2.1流体运动方程   　

7、　2.2风机模型与流场模型   　　利用工程绘图设计软件PRO/E对500W的垂直轴风力机进行建模。模型主要包括风机叶片和主轴。考虑到计算简化和节省资源，适当省略一些工业设计的细节，有利于最后计算结果的收敛。简化后的风机模型见图2。将模型导入AnsysWorkbench中，并在Geometry模块中为模型设计相应的流体域。   　　由于该风机安装的环境周围没有很高的建筑物，并且建筑物分布比较稀疏，所以流场可以简化为立方体