垂直轴潮流能水轮机直叶片流固耦合分析

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1、垂直轴潮流能水轮机直叶片流固耦合分析李霆陈兵大连理工大学水利工程学院在开放海域运行的潮流能水轮机需要应对复杂多变的海洋环境，要有较好的刚度、强度和抗疲劳性能。这对水轮机结构，尤其是为其运行提供动力的叶片结构的设计提出了较高耍求。文中建立了垂直轴潮流能水轮机叶片及流场的三维数值计算模型，基于ANSYS商业软件提供的CFX与瞬时结构模块的双向流固耦合分析功能，分析了叶片在不同流速下的流体力学性能，分析了流场的三维效疲及其引起叶片升力损失的原因，研究丫其结构的刚度和强度特性。还对比分析了使用铝合金和钢材作为水轮机叶片材料的优劣。关键

2、词：数值模拟;潮流能水轮机;叶片;流固耦合;三维效应;结构分析;plexandvolatilemarineenvironment,andthisposesastrictrequirementforitsstructuralstiffness，strengthandanti-fatigueproperty.Thisrequireshigh-standarddesignoftheturbinestructure,especiallyforthebladesthatpowertheturbine.Basedonthetwo-wayf

3、luid-solidcouplinganalysisfunctionofCFXandtransientstructuremoduleprovidedbyANSYScommercialsoftware,athree-dimensionalnumericalsimulationmodelisestablishedfortheverticalaxistidalturbinebladesandthefluiddomain.Thehydrodynamicperformanceofthebladesisanalyzedatdifferen

4、tflowrates.Thethree-dimensionaleffectofthefluiddomain,thelossofliftforce,aswellasthestiffnessandstrengthcharacteristicsofthebladestructurearealsostudiedinthispaper.Italsoanalyzestheuseofaluminumalloyandsteelasbladematerials，andillustratesboththeiradvantagesanddisadv

5、antages.Keyword：CFD;VATT;Blade;two-wayFSI;Three-dimensionaleffect;structuralanalysis;垂直轴潮流能水轮机具有结构简单、可以利用各方向来流无需换向、发电机密封成本低、噪咅较小等优点［1-2］。但垂直轴式水轮机的运行方式导致其叶片会受到来自潮流作用的周期性荷载，易发生疲劳破坏m。因此分析垂直轴潮流能水轮机叶片结构的应力响应对于叶片的设计有一定价值。水轮机叶片截面一般选用风力发电机的翼型，或在其基础上进行改进ui。实践中各国研究人员开发了多种叶片结构

6、形式和材料。中国海洋大学王树杰等边1研宄了柔性材料叶片的应用，显示柔性材料可以有效提高水轮机获能利用率。李冬等M提出丫采用三维CAD、反求技术和快速原型技术快速制造潮流能水轮机叶片原型的方法。GauHer等m研宂了DCTO树脂叶片在水流单独作用和浪流同时作用下的应力应变规律，并指出：浪流同时作用下叶片应力有显著提高，在疲劳分析中需充分考虑其作用。应用较为广泛的是源自风力发电机叶片设计的蒙皮、主梁加腹板空心结构，该结构构造简单，力的传导清晰明确，便于设计和计算；其材料可以是铝、钢材、复合材料等。Harper等提岀了一种研究复合材

7、料水轮机叶片的裂纹生长和层合板失效规律的方法。Ng等m分析了使用高强度碳纤维制作潮流能水轮机叶片的可能性。随叶轮旋转，水轮机叶片承受的水流作用力呈周期性变化。采用流固耦合方法可以研宄叶片受水流作用下的瞬时响应。荆丰梅等使用单向流固耦合计算方法,将二维CFX流体计算结果作为水轮机受力，将流体与结构中相对应的节点压力施加到结构有限元模型上，不考虑结构变形对流场的扰动，研宄了垂直轴潮流能水轮机的力学性能，其结果与实验吻合较好。刘雪峰等UU使用单向流固耦合计算方法分析了潮流能水轮机叶片的强度，得到了叶片的各阶模态振型、频率及最大变形量

8、。Singh等使用流固耦合方法分析了韩国某1MW水轮机叶片结构的强度，并对比分析了钢和铝两种材料叶片受力的差异。在每一个循环中，叶片承受的最大作用力与水流的攻角和流速有关。对于采用NACA0018翼型的叶片，当雷诺数在0.25X1CT2X10范围内时，在水流攻角为12°附近叶