风力机叶片单向流固耦合分析

成诚，程筱胜，戴宁

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016)

    对风力涡轮机叶片在指定的流场压力场下的变形提出一种新的分析方法。利用多重参考系模型，研究叶片表面的受力和叶片周围流场的变化，对风力涡轮机叶片进行单向流固耦合分析。叶片在12m/s风速下的数值模拟结果显示叶尖部分压力最大。该方法既能真实模拟叶片运行时的状况，又能节省计算时间，提高效率。

    对两个或两个以上工程学科(物理场)间相互作用的分析，就是耦合场的分析。类似结构与流体的耦合分析，即流固耦合(Fluid Structure Interaction)，流体流动时所产生的压力作用于结构，使结构发生形变［1］。流体流动的环境将由结构变形的影响决定，所以其为交互式的问题。

    目前在工程学科，模拟的耦合场更多地用来分析实际问题，特别是在流体力学领域，如风场风机叶片变形、水流中水轮机叶片的变形情况等。

    由于软件的开发水平有限，很多软件还不能够进行多物理场的耦合，只能模拟单一的物理场。国内的一些大学和研究机构常常会开发某些专业软件，将其应用于一个物理模型的多场耦合分析的研究，如ANSYS和FLUENT的相关程序接口的二次开发［2］。该方法可以解决不同软件之间数据交换的问题，但这种方法需要消耗大量的时间，同时也要求软件开发商有足够的编程水平，因此开发的程序，也往往是他们为自己所研究的领域设计的,要想继续推广，存在着很大的局限性［3］。

    国内在这方面的研究资料十分稀缺，虽然能够实现流固耦合分析的软件和方法有很多,但仍然受到了方方面面因素的制约［1］。本文以1.5MW水平轴风力机的叶片在风场中旋转时的某一瞬时状态为例,介绍单向流固耦合(FSI)分析方法是如何通过ANSYS Workbench实现［2］。

1流固耦合方法

    风力机工作时，空气和风力机叶片之间的作用关系是相互的。风力机叶片在表面受到压力时会产生变形，而在风力机高速运行时，这种变形会被放大［1］。对于流体的运动，变形过程中的风力机叶片又会反过来产生某种特定的影响。运用单向流固耦合的分析方法，能够研究在气流瞬时变化下，风力机叶片所产生的影响，即按照一定的顺序，求解2个物理场，然后将两物理场之间边界上的结果，应用于一个物理场，作为边界条件并迭代求解另一个物理场［1］。

    首先，使用三维建模软件，建立风力机叶片三维模型。将叶片模型导入CFD软件，建立叶片的外流场，并划分网格［4］。CFD软件分析计算后得到叶片表面压力，将压力值作为初始条件输入FEA软件，分析计算后可得到风力机叶片的外形变化。基本流程如图1所示。图1流固耦合方法流程图

2三维建模

    本文利用CAD软件Pro/E建立风力机叶片的三维实体模型。Pro/E为确保用户可以按照本人......

作者简介：成诚（1988—），男，江苏泰兴人，南京航空航天大学博士研究生，主要研究方向为数字化医疗装备技术。
（文章来源《机械设计与制造工程》如需详细资料请联系江苏机械门户网025-83726289）