风力发电机叶片的流体动力学和结构力学分析方法

摘要

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。

主权项

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：得出风力发电机功率概率模型：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：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：式中：D为叶轮直径；Pn为风力发电机的额定输出功率；Cp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；Vn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：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：式中：bi为ri处切向干扰系数；αi为ri处轴向干扰系数；λi为ri处尖速比；ri为径向半径，弦长及安装角计算公式为：式中：θi为ri处的安装角；Ci为ri处弦长；φi为相对迎风角，φi＝αi+θi；αi为ri处迎风角；B为叶片数；CL为最佳升力系数，CL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。