基于流固耦合的垂直軸風(fēng)機(jī)受力分析
近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視，新型的風(fēng)力機(jī)不斷涌現(xiàn)，并被廣泛的應(yīng)用和推廣。隨著全球風(fēng)電需要的不斷增加，風(fēng)力機(jī)與建筑一體化 結(jié)合越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。小型風(fēng)力機(jī)與建筑的結(jié)合既可以滿足人們對(duì)可再生能源的需求，又可以為建筑物提供充足的電能，其中的垂直軸風(fēng)力機(jī)占地面積 小，并且可以低風(fēng)速啟動(dòng)、無(wú)噪音運(yùn)行，比同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率高出10%～20%[2-4]，安全系數(shù)相對(duì)較高，而且可以不受風(fēng)向改變的影響，安裝和維護(hù) 較簡(jiǎn)單，因此被廣泛應(yīng)用于城市中。
摘要：為了通過流固耦合分析，探討風(fēng)機(jī)建筑一體化中垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片和主軸的受力情況，結(jié)合實(shí)際工程，在結(jié)構(gòu)分析軟件 ANSYSWorkbench[l1]中運(yùn)用單向流固耦合的方法分別對(duì)風(fēng)速是10m/s和50m/s時(shí)的風(fēng)機(jī)葉片和主軸的靜應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析和比較。結(jié) 果表明：各種工況下，風(fēng)力機(jī)葉片的最大靜應(yīng)力出現(xiàn)在葉片與主軸連接處，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和主軸的最大靜應(yīng)力隨著風(fēng)速的增加而變大。靜應(yīng)力最高值遠(yuǎn)小于材料的 屈服極限，所以靜應(yīng)力不會(huì)使風(fēng)機(jī)葉片和主軸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。葉片與主軸的連接處都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，為了防止疲勞破壞，可以適當(dāng)?shù)丶雍袢~片和主軸連接處的 厚度。
關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力機(jī),風(fēng)機(jī)建筑一體化,流固耦合,靜應(yīng)力,結(jié)構(gòu)分析,主軸,葉片
城市中的風(fēng)力機(jī)主要應(yīng)用于高樓之間和樓頂區(qū)域，而垂直軸風(fēng)力機(jī)因其獨(dú)特的造型，一般被應(yīng)用在建筑物頂部，它可以作為一個(gè)獨(dú)立的電源為建筑物提供電能。由于節(jié)能減排和發(fā)展生態(tài)型社會(huì)的需求，垂直軸風(fēng)力機(jī)與建筑一體化已經(jīng)越來(lái)越受到人們重視[5]。
本文結(jié)合實(shí)際工程，在一座高為12m的建筑物頂端安裝500W的小型垂直軸風(fēng)力機(jī)，通過數(shù)值模擬，分析風(fēng)力機(jī)在正常風(fēng)速的工作環(huán)境下葉片和支架 的整體安全性。研究工作運(yùn)用流固耦合的原理，首先通過CFD分析分別計(jì)算在額定風(fēng)速和最大安全風(fēng)速下風(fēng)機(jī)周圍流場(chǎng)的風(fēng)壓分布情況，然后利用流固耦合的方法 將風(fēng)壓力載荷精確地加載到風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)表面，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和主軸進(jìn)行應(yīng)力結(jié)構(gòu)計(jì)算。
1計(jì)算原理和方法
1.1紊流模型
紊流是日常生活中最常見的流動(dòng)類型。其特征是各層流體互相混摻，流體質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，而這種不規(guī)則表現(xiàn)為流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間和空間隨機(jī)變化，所 以，只能根據(jù)這些參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)區(qū)別各種紊流流態(tài)[6-7]。紊流的基本特征有：不規(guī)則性、擴(kuò)散性、高雷諾數(shù)、渦度脈動(dòng)的三維性、耗散性和連續(xù)性。水 輪機(jī)流道內(nèi)的流動(dòng)大多是紊流，所以需要紊流模型來(lái)描述。
本文采用SSTk-ω模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型是在考慮低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流傳播等因素而對(duì)Wilcoxk-ω模型做的修改[8]。 Wilcoxk-ω模型預(yù)測(cè)了自由剪切流傳播速率，像尾流、混合流動(dòng)、平板繞流、圓柱繞流和放射狀噴射，因而可以適用于墻壁束縛流動(dòng)和自由剪切流動(dòng)。 SSTk-ω模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的一個(gè)變形，由Menter[9]在1994年提出，它可以獨(dú)立于k-ε模型，使得在靠近壁面的自由流中k-ω模型有廣 泛的應(yīng)用范圍和精度。
葉片是風(fēng)機(jī)的核心部件，具有復(fù)雜的彎扭形狀的三維葉片。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)處在高度復(fù)雜的流場(chǎng)中，這就導(dǎo)致了其應(yīng)力分布狀況十分復(fù)雜。葉片的應(yīng)力狀態(tài)是 設(shè)計(jì)、運(yùn)行和事故分析中的重要參數(shù)，故葉片應(yīng)力計(jì)算的精確與否直接關(guān)系到轉(zhuǎn)輪應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性[10-11]。由于葉片處在流場(chǎng)中工作，葉片的表面會(huì)受到 風(fēng)壓力的作用，風(fēng)壓力從進(jìn)口邊到出口邊逐漸變化。
本文采用弱流固耦合的方法對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片和主軸進(jìn)行了強(qiáng)度分析，計(jì)算了葉片和主軸的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變和變形，并對(duì)此作了分析。
1.2流固耦合計(jì)算
單向流固耦合主要用于流場(chǎng)與固體相互作用后，固體變形不大，就是說(shuō)流場(chǎng)的邊界條件改變較小，不影響流場(chǎng)的分布情況。安裝在建筑物頂端的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)正好適用于此種分析方法[12]。
主要的計(jì)算思路是首先考慮流體對(duì)固體的影響，對(duì)流體域進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓載荷，然后將風(fēng)壓載荷加載到風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)表面[13]，對(duì)其加載適當(dāng)?shù)募s束后進(jìn)行有限元分析。
1.2.1流體運(yùn)動(dòng)方程
2.2風(fēng)機(jī)模型與流場(chǎng)模型
利用工程繪圖設(shè)計(jì)軟件PRO/E對(duì)500W的垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行建模。模型主要包括風(fēng)機(jī)葉片和主軸�？紤]到計(jì)算簡(jiǎn)化和節(jié)省資源，適當(dāng)省略一些工業(yè) 設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，有利于最后計(jì)算結(jié)果的收斂。簡(jiǎn)化后的風(fēng)機(jī)模型見圖2。將模型導(dǎo)入AnsysWorkbench中，并在Geometry模塊中為模型設(shè)計(jì)相應(yīng) 的流體域。
由于該風(fēng)機(jī)安裝的環(huán)境周圍沒有很高的建筑物，并且建筑物分布比較稀疏，所以流場(chǎng)可以簡(jiǎn)化為立方體型的外流場(chǎng)，保證有足夠大的空間。與此同時(shí)設(shè)置好風(fēng)機(jī)周圍的旋轉(zhuǎn)域，此旋轉(zhuǎn)域必須包含一部分葉片和主軸，流場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)域的設(shè)計(jì)見圖3。
由于本文的計(jì)算模型比較復(fù)雜，風(fēng)機(jī)葉片模型是不規(guī)則的曲面，所以采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法，將設(shè)置好的模型導(dǎo)入到Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在本計(jì)算 中風(fēng)機(jī)模型與其外部的流場(chǎng)尺寸相差較大，所以在風(fēng)機(jī)模型附近進(jìn)行了尺寸細(xì)化，而在其他區(qū)域相對(duì)粗化。對(duì)旋轉(zhuǎn)域外表面和風(fēng)機(jī)葉片主軸外表面設(shè)置size為 100mm，并對(duì)葉片設(shè)置了邊界層網(wǎng)格屬性。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)形狀較為復(fù)雜，所以采用四面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分共產(chǎn)生270346個(gè)四面體單元和89416個(gè)節(jié) 點(diǎn)，見圖3。
2.3流體分析
在Workbench中，一般利用CFX進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析。CFX分析包括3個(gè)程序模塊：CFX-Pre、CFX-Solver和CFX-Post。即前處理器、求解器和后處理器。
首先，將劃分好的Mesh文件導(dǎo)入到CFX-Pre。流體域主要包含外流場(chǎng)域和旋轉(zhuǎn)域，旋轉(zhuǎn)域的角速度采用風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速150r/min，一 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。然后，設(shè)置進(jìn)出口邊界條件。把立方體流場(chǎng)的前后兩個(gè)表面分別設(shè)置為進(jìn)流口和出流口，并設(shè)置其他3個(gè)面為自由面。然后在進(jìn)出口上給定相應(yīng)的湍 流強(qiáng)度。不同于內(nèi)流場(chǎng)，外流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度不能用默認(rèn)的5%或10%等百分比設(shè)置，必須根據(jù)來(lái)流速度與入口尺寸進(jìn)行計(jì)算得到。需要考慮的邊界條件還有地面邊 界條件以及風(fēng)機(jī)葉片邊界條件和旋轉(zhuǎn)域外表面邊界條件。
最后，進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。流場(chǎng)分析結(jié)果見圖4（a）、4（b），分別為風(fēng)速10m/s和50m/s時(shí)流場(chǎng)中心面速度分布。
2.4結(jié)構(gòu)分析
將流體分析的結(jié)果與結(jié)構(gòu)模型一起導(dǎo)入到靜力分析模塊中去，并對(duì)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終產(chǎn)生26227個(gè)結(jié)點(diǎn)和829289個(gè)單元，見圖5。
劃分好網(wǎng)格之后對(duì)風(fēng)機(jī)加載約束，主要是底部的固定約束。由于計(jì)算的是風(fēng)機(jī)在工作狀態(tài)下的受力情況，所以還要加載一個(gè)旋轉(zhuǎn)速度150r/min，加載完后就可以進(jìn)行受力求解。
2.5計(jì)算結(jié)果輸出
在求解器中插入垂直軸風(fēng)機(jī)受的主應(yīng)力EquivalentStress和總形變TotalDeformation，運(yùn)行求解器得出結(jié)果。圖 6（a）為風(fēng)速10m/s時(shí)風(fēng)機(jī)的整體變形量，圖6（b）為風(fēng)速50m/s時(shí)風(fēng)機(jī)的整體變形量，圖7（a）所示為風(fēng)速10m/s時(shí)風(fēng)機(jī)的應(yīng)力分布，圖 7（b）為風(fēng)速50m/s時(shí)風(fēng)機(jī)的應(yīng)力分布。
3.2應(yīng)力結(jié)果分析
由圖7可以看出，風(fēng)力機(jī)葉片的最大靜應(yīng)力出現(xiàn)在葉片與主軸連接處。這是因?yàn)槿~片可以看成是一個(gè)簡(jiǎn)支梁，在加載了表面壓力載荷的情況下，兩個(gè)支撐處的應(yīng)力最大；相反，兩端的自由端應(yīng)力最小。
由表1可以看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和主軸的最大靜應(yīng)力隨著風(fēng)速的增加而變大，這是由于加載在它們表面上的風(fēng)壓力載荷隨著風(fēng)速的增大而增大，但是風(fēng)機(jī)葉片和主軸結(jié)構(gòu)所受的靜應(yīng)力值較小，小于材料的屈服極限200MPa。
風(fēng)機(jī)葉片和主軸結(jié)構(gòu)的最大靜應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，所以靜應(yīng)力不會(huì)使風(fēng)機(jī)葉片和主軸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。靜應(yīng)力的分布圖中風(fēng)機(jī)葉片與主軸的連接 處都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中若周期循環(huán)出現(xiàn)則會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞。為了防止疲勞破壞，需要盡可能減弱應(yīng)力集中，可以在不影響風(fēng)場(chǎng)的前提下適當(dāng)?shù)丶?厚葉片和主軸連接處的厚度，以提高其剛度。
參考文獻(xiàn)：
[1]邢景棠，周盛.流固耦合的力學(xué)概述[J].力學(xué)進(jìn)展，1997，27（1）：19-38.
[2]秦生升.風(fēng)力發(fā)電在建筑中的應(yīng)用[J].建筑節(jié)能，2010，10（3）：44-46.
[3]黃典貴.理想流場(chǎng)中流固耦合作用下葉片的動(dòng)態(tài)特征分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，1998，40（4）：235-238.
[4]梁權(quán)偉，王正偉，方源.考慮流固耦合的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模態(tài)分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，23（3）：116-119.
[5]李建鋒，劉小兵，王宏偉，等.基于ADINA的混流式水輪機(jī)流固耦合分析[J].水力發(fā)電，2010，36（4）：67-69.
[6]王征等.流固耦合力學(xué)的數(shù)值研究方法的發(fā)展及軟件應(yīng)用概述[J].機(jī)床與液壓，2008，36（4）：192-195.
