（工程力学专业论文）水平轴风力机动力特性和流场的数值模拟.pdf

摘要 摘要 风力发电机是通过风获得能量的一种设备。现代风力发电机由一系列复杂 的子系统组成，风力机主要组成部分包括：叶片、塔架、轮毂、机舱、地基基 础、传动设备和控制系统。目前，世界风力机发展的趋势是大型化和柔性化， 以便于提高发电效率并降低发电成本。 由于风本身多变的特性，风力机时常在恶劣的环境中工作。风力机在运行 中会经常遭遇大风、阵风等不良天气。由于风荷载的脉动性和风力机自身的柔 性结构的特点，诱使风力机产生振动，由大风引起的风力机结构破坏时有发生。 因此，人们迫切需要对风力机整机进行抗风分析，风力机整机抗风分析的基础是 研究风力机整机的结构动力特性和流场特性。 本文主要研究以下两个方面： 第一个方面是叶片和风力机整机的结构动力特性分析。利用商用有限元软 件a n s y s ，建立起风力机叶片和整机的有限元计算模型，进而分析叶片以及整 机的模态和自振频率这些结构振动方面的参数。 第二个方面是用计算流体动力学( c f d ) 来模拟风力机的流场。首先概述计算 流体动力学的基本数学、力学理论基础。然后简单介绍了c f d 商用软件f l u e n t 的特点。最后，本文通过商用c f d 软件f l u e n t 对风力机的外流场作了初步的研 究。 本文的上述工作可以为进一步的风力机抗风分析打下基础。 关键词：风力发电机，叶片，模态分析，有限元分析，计算流体动力学 a b s t r a c t w m dt u r b i n ei sad e v i c ef o re x t r a c t i n ge n e r g yf i o mt h ew i n d m o d e r nw i n d t u r b i n ei sm a d eu po fac o m p l i c a t e dc o m b i n a t i o no fc o m p o n e n t sa n ds u b s y s t e m s ， m a i ne l e r n e n t aa r er o t o r ，t o w e r ，h u b ，n a c e l l e ，f o u n d a t i o n ，p o w e rt r a i na n dc o n t r o l s y s t e m t h e r ei sa t r e n dt o w a r d sl a r g ea n df l e x i b l ew i n dt u r b i n e sw h i c hc a nc a p t u r ea s m u c ha st h ea v a i l a b l ek i n e t i ce n e r g yf z o mw i n df o rt h el o w e s tp o s s i b l ec o s t w i n dt u r b i n e so f t e no p e r a t ei nan e g a t i v ee n v i r o n m e n tw h e r es t r o n gf l o w f l u c t u a t i o n s d u et ot h en a t u r co f t h ew i n d , c a l le x c i t eh e a v yl o a d s n ev a r y i n gl o a d s ， t o g e t h e rw i t hf l e x i b l es t r u c t u r e ，c a l li n d u c es t r u c t u r a lv i b r a t i o ns o m ew i n dt u r b i n e s w e r ed a m a g e db yh i g hs p e e dw i n d h e n c e ，t h e r ei si n c r e a s i n gn e e df o rc o m p u t a t i o n a l a n de x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e sf o rw i n d - r e s i s t a n ta n a l y s i so fw i n dt u r b i n e 1 1 1 e f u n d a m e n t a lo f t h ew i n dt u r b i n ew i n d r e s i s t a n ta n a l y s i si ss t n l c t u r a ld y n a m i ca n a l y s i s a n de x t e r n a lf l o wa n a l y s i s t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht w oa s p e c t s ： o n e a s p e c ti ss t n l c n l r a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fr o t o rb l a d ea n d w i n d t u r b i n e f i n i t ee l e m e n tm o d e l sf o rs i m u l a t i o no ft h ed y n a m i cr e s p o n s eo fr o t o rb l a d e a n dh o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n eh a sb e e nd e v e l o p e d t h es i m u l a t i o r sa r ep e r f o r m e d u s i n gt h ec o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea y s y s ，w h i c h i sa p r o g r a md e v e l o p e d f o rv e r s a t i l ea n a l y s i s c o v e r i n gl i n e a r 嬲w e l la sn o n - l i n e a r , s t a t i ca sw e l la sd y n a m i c a p p l i c a t i o n s t h e nt h es t r u c t u r a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fr o t o rb l a d ea n dw i n d t u r b i n ea l es t u d i e d 1 1 艟o t h e ra s p e c ti st h ec f ds i m u l a t i o no f t h ee x t e r n a lf l o wa r o u n dw i n dt u r b i n e f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lm a t h e m a t i c a la n dm e c h a n i c a lt h e o r i e so fc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) a l ei n t r o d u c e d ；s e c o n d l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o m m e r c i a l c f ds o f t w a r ef l u e n ta r eo u t l i n e d ；f i n a l l y , t h ee x t e r n a lf l o wo fw i n dt u r b i n ea 聆 s i m u l a t e du s i n gf l u e n t 1 1 mw o r ko f t h i sp a p e rc a l lf o u n das o l i db a s ef o rf u l t h e rw i n dr e s i s t a n ta n a l y s i s o f w i n dt u r b i n e 。 垒! ! 坚垡 k e y w o r d s ：w i n dt u r b i n e ，r o t o rb l a d e ，m o d a la n a l y s i s ，f e m ，c f d i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章引言 1 1 世界风电发展现状 第1 章引言 随着社会发展，能源已经成为一个全世界日益关注的问题。世界能源结构 经历了三次大的变革，即从煤炭、石油、天然气为主的能源系统，开始转换为 以可再生能源为基础的可持续发展的能源系统。风能作为一种清洁的、可再生 的新能源，已经受到世界各地的广泛关注。自2 0 世纪7 0 年代出现石油危机以 来，世界各发达国家对能源安全供应问题特别关注，纷纷制定能源供应多样性 战略。煤、石油、天然气等化石能源日渐短缺的现状使得替代能源的开发利用 日益受到世界各国的重视，发展十分迅速。 被称为“蓝天自煤”的风能是一种取之不尽、用之不竭，无污染的可再生 能源。根据气象科学家的测算，全球的风力资源储量约为2 7 4 万亿k w , 其中可 开发利用的约为2 0 0 亿k w ，比地球上可开发利用的水能总量还要大1 0 倍。 开发利用风力资源的具体优势表现在以下方面【l , 2 1 ： 1 风能是一种清洁无污染的能源，不存在燃煤、燃油所造成的环境污染 问题，不会排放c 0 2 等温室气体，不存在核电放射性废料对人类的威胁。 2 风力发电场建设周期短，装机规模灵活，既可单台安装，也可以多台 安装。建设般规模的风电场只需半年到一年的时间，而大型燃煤火电站、大 型水电站以及核电站的建设周期则需要三到十年的时间。 3 风力发电场比火电场可节约大量的淡水资源，减少水环境污染。特别 是对缺少淡水资源的沿海及干旱地区更为重要。 4 风力发电的经济性日益提高。和火电相比，它不存在建设厂房、煤的 运输、锅炉除尘等问题；和水电相比，它不存在修筑大坝、淹没土地以及大规 模移民等问题。风力发电不消耗燃料，无三废处理问题。目前，风电价格已经 达到电力市场可以接受的程度。此外由于各国政府在政策上的积极扶持，发电 成本正在逐步下降。因此，从经济效益看，风力发电也具有较强的竞争力。 5 风力发电机机组安装分散，占地面积少，控制系统与塔架安装在一起， 机组占地面积仅仅为风电场总面积的1 ，其他大部分的土地仍可供农业、林业、 第1 章引言 牧业使用，基本上不影响风电场以及周围的生态环境。 1 9 9 0 年以来，风力发电一直是世界上增长速度最快的可再生能源，以平均 每年2 2 的速度增长。根据全球风能委员会2 0 0 5 年底公布的统计数据：2 0 0 5 年 全球风电市场装机容量为1 1 7 6 9 万k w , 比2 0 0 4 年增加3 5 6 2 万k w 。截止到2 0 0 5 年底，世界风电装机总容量达到5 9 3 2 2 万k w ，其中欧洲风力机装机总量约占 世界装机总量的7 5 ，预计到2 0 2 0 年，世界电力需要的1 0 可以由风力发电产 生。目前世界最大风力发电机单机功率为5 m w t 3 5 】。 我国是世界上最早利用风能的国家之一，已探明的风能理论储量为3 2 2 6 亿 k w , 其中陆地上可开发利用的风能为2 5 3 亿k w ，近海上可利用的风能为7 5 亿 k w , 居世界首位。它与可开发的水电装机容量3 8 亿k w 为同一量级，具有商业 化、规模化发展的潜力阐。 1 2 风力发电机的分类 现代风力机是由各种相互作用的部件和子系统组成的，涉及空气动力学、 结构动力学、气象学、机械工程、电气工程、控制技术、材料科学、环境科学 等多个学科和领域。风力机的种类和式样很多，目前风力机主要分为两大类： 一类为水平轴风力发电机；另一类为竖直轴风力发电机【 。 1 2 1 水平轴风力发电机 水平轴风力机的叶片围绕一个水平轴旋转，工作时叶片的旋转平面与风向 垂直。现代水平轴风力机一般叶片数为3 片。叶片多的风力机通常称为低速风 力机，它在低速运行时有较高的风能利用系数和较大的转矩。它的启动力矩大， 启动风速低，因而适用于抽水、磨面等。叶片数少的风力机通常称为高速风力 机，它在高速运行时有较高的风能利用系数，但启动风速较高。由于其叶片数 很少，在输出同样功率的条件下比低速叶片要轻很多，因此适用于发电【羽。图 1 1 为一典型三叶片水平轴风力机。水平轴风力发电机是当今风力发电机的主要 形式，是目前被实践证明的最有效的风能的转化装置。 2 第1 章引言 1 2 2 竖直轴风力发电机 图1 1 典型的水平轴风力机 竖直轴风力机的风轮围绕一个竖直的轴旋转。其主要优点是可以接受来自 任何方向的风，因而当风向改变时，无须对风。尤其不需要偏航装置，其自身 结构设计简化。竖直轴风力机的另外一个优点是其齿轮箱和发电机可以安装在 地面上，这样以来对机器的维修和维护变得相对容易。图1 - 2 中，左图是达里厄 型竖直轴风力机，右图为s 型竖直轴风力机。 图1 2 竖直轴风力机 3 第1 章引言 1 3 风力发电机的应用现状及存在的问题 目前，世界风力机正朝着大型化、柔性结构的方向发展，以降低成本，提 高风电效益。大型风力机组不是在所有的情况下都能工作的，不同型号的风力 机存在不同的启动风速和停机风速。在风速过小时( 一般小于4 m s ) ，风力机不 能启动：若风速过大( 一般大于2 5 m s ) ，由于考虑风力机组的安全，必须强制 停机。因此，风力机的工作范围是有限的，同时在工作的区间内，也存在额定 功率点，当来流为额定风速时，风力机达到额定功率。在没有达到额定风速时， 机组功率可以继续增加，超过额定风速后，风力机输出功率必须保持在额定输 出状态。风力机组经常会根据不同的风速进行开机、调整、停机等操作。 从气动性能来考虑，通过调节叶片的桨距角( 即叶片来流攻角) ，可以有效 的改变风力机的气动扭矩。因此，从优化叶片气动性能的角度来看，发展变桨 距叶片的风力机组是一种必然的选择。该技术利用现代控制手段，使叶片随着 来流风速的变化，不断对叶片的桨距角进行调整，从而达到风力机功率输出的 最优值，并保证在极端条件( 台风) 下，风力机组不致破坏。采用变桨距技术 的风力机组可以通过改变桨距角获得更低的启动风速更好的抗大风制动性能， 因而具有更高的额定风能利用系数，更高的额定功率和功率输出平稳等优点【”。 目前兆瓦级以上的风力机组普遍采用该技术。 目前，世界上风力机组大多数为恒速运行机组，若采用变速恒频技术后， 风力机就可以改恒速运行为变速运行，这样就可以使叶片的转速随风速变化并 保持一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机组的风能利用系数在额定风速以下的 整个运行风速范围内都处于最大值，从而比恒速运行获得更多的能量。尤其是 此种机组可适应不同的风速区，当一台风力发电机组安装在平均风速与其最佳 设计工况的平均风速差别较大的风电场时，变速运行的优势就更加明显了。变 速风电机组的另外一个优点是它可以降低风力机在低风速运行时的噪音，并可 使叶片设计突破原有的约束。恒速运行时，叶片转速不能太高，因为在低风速 时，环境噪音不大，掩盖不了叶片的气动噪音，所以恒速叶片的叶尖速度一般 局限在6 0 m s 左右，相应的叶尖速比在7 5 左右。由于空气动力学的原因，叶片 转速越低，叶片尺寸就必须越大。而变速风电机组由于叶片转速与风速成比例 变化，所以较少受低风速时噪音的限制，设计中可以采用更大的叶尖速比，因 而可以将叶片做的更薄，从而降低制造成本。目前变速风电机组越来越受到人 4 第1 章引言 们的重视，特别是在进一步发展的大型机组中更为引人注目 1 0 1 0 对风力发电机结构而言，风是其决定设计因素。目前，风力机设计中主要 采用经典的动量叶素理论，较少采用结构风工程理论来研究风力发电机的抗风 问题。结构风工程是研究大气边界层内的风对建筑物和构筑物之间相互作用的 - - i - 1 边缘学科【1 1 】。大气边界层内的风是一种随机的湍流运动，为了便于分析， 可以将其分为平均风和脉动风两类。平均风的特性主要包括平均风速、风向和 风剖面等；脉动风的特性主要包括湍流强度、湍流积分尺度、风速谱和相干函 数等。目前结构风工程的研究方法主要有：现场实测、边界层风洞实验研究、 以流体动力学为基础的数值计算方法等。 风力机在运行过程中，由于风的脉动效应产生结构振动，当这种风造成的 振动超过风力机的承受能力后，就会造成风力机结构的破坏。由大风导致风力 发电设备损坏和故障的情况在国内外时有发生。我国东南沿海地区大部分都可 能受到台风的袭击。在这些地区，尤其是处于丘陵地带的风力机设计，应充分 考虑台风因素。2 0 0 3 年，我国广东省汕尾红海湾风电场遭受台风“杜鹃”的袭 击，造成1 3 台机组停机、约1 0 0 0 万元的经济损失【1 2 l 。2 0 0 3 年9 月1 1 日，台风 “鸣蝉”袭击了日本的m i y a k o 岛，最大风速为7 4 1 m s 。这次台风造成该岛7 台风力发电机全部损坏，其中3 台风力机倒塌。2 0 0 6 年8 月1 0 日下午1 7 ：2 5 分，台风“桑美”在浙江苍南马站登陆，正面袭击了浙江风电公司所属的苍南 风电场。据现场测风塔倒塌前测风仪提供的最后风速为8 0 m s ，此风速远远超过 了风电机组设计最大抗风能力风速7 0 m s 。巨大的台风给苍南风电场带来了严重 损失，5 台风力发电机塔架倒塌、2 3 台风力发电机叶片折裂或发电机和齿轮箱 损坏。图1 3 为风力机在遭受台风破坏后的图片。 第1 章引言 图1 3 风力机遭受台风破坏后的情况 由上述可以看出，随着风力机朝着大型化、柔性化方向发展，其抗风研究 非常重要，风力机抗风分析的基础是整机结构动力特性分析和流场分析，因此 研究风力机的整机动力特性与流场特性很有必要。 1 4 风力发电机整机性能的研究 1 4 1 风力机气动性能分析 风力机的气动性能是指风力机和空气来流之问的相互作用1 3 1 ，风力发电机 在过去的二十年里发展非常迅速。为了降低风力发电的成本，世界上风力发电 机正朝着大型化、柔性结构的方向发展，这使得气动问题成为风力发电机的一 个相当重要的问题。 1 8 9 1 年，丹麦的p o u ll a c o u r f l 卅教授首先将空气动力学引入风力机的研究。 6 第1 章引言 之后哥廷根研究所的a b a z 建立了关于风力发电机的完整理论。最初，风力机 叶片的气动理论是由船舶的螺旋桨理论发展而来。目前叶片气动分析大多采用 改进的叶素动量理论( b l a d ee l e m e n tm o m e n t u mt h e o r y ) 叶素动量理论由动量理论和叶素理论结合而成。动量理论首先用来计算分 析船舶螺旋桨，由r a n k i n e 和f r o u d e 等人在1 9 世纪后期提出【l ”。最初动量理论 采用一维模型，假定流过风力机桨盘的空气可以从周围大气中分离，来流是不 可压缩的定常流，不考虑尾流的旋转以及偏航的影响并假定风力机是理想风力 机。理想风力机是假定其有无穷多个叶片，不考虑轮毂的影响，即将风力机考 虑成一个纯粹的能量转换器。动量理论并不能用来计算叶片的受力，但是可以 得出风力机的一些整体气动性能参数。b c t z 根据一维动量理论得到了著名的风 能利用极限b c t z 极限i 。 上述一维理论一个很重要的缺陷是没有考虑尾流的旋转，事实上由于尾流 的旋转，风力机获得的能量将会减少。为此g l a u c r t 在1 9 3 5 年提出了考虑尾流 旋转的二维动量理论。g l a u e r t 假定尾流的旋转、诱导速度是半径的函数【1 ”，通 过轴向与径向的动量守恒计算风力机叶片的气动性能参数。 1 8 8 9 年，r i c h a r df r o u d e 提出了叶素理论【1 8 】。该理论假定叶片的气动荷载是 叶片翼型升力、阻力系数的函数，并且考虑来流攻角的因素。其基本思想是沿 着叶片展向将叶片分成若干段，称其为叶素。通过计算作用在每一段叶素上的 气动荷载从而得到作用在整个叶片上的气动荷载。叶素理论假定每个叶素间的 气动荷载之间的相互影响可以忽略，气动荷载仅由升力、阻力系数决定。 前述动量理论和叶素理论都有其优点和不足。动量理论可以计算风力机叶 片的整体气动性能，叶素理论可以计算叶片的受力却不能计算叶片的整体气动 性能。因此，g l a u c r t l9 】在1 9 3 5 年结合了动量理论和叶素理论，形成了动量叶素 理论( b e mt h e o r y ) 。目前世界上大部分风力机设计软件仍然采用b e m 理论【2 0 】。 动量理论和叶素理论在研究风力机叶片的气动荷载时，做了一些简化和假 设，存在一定的不足之处，为了更好的反映叶片的真实气动荷载和性能，必须 要进行一些修正，尤其是在非定常条件下的修正。这些修正包括叶尖损失、偏 航修正、动态失速延滞修正、动态涡理论的修正等。目前叶素动量理论的发展 主要有两个方面：动态涡理论和动态失速延滞理论【2 l 】。 数值求解n a v i e r - s t o k e s 方程是一种比较全面的用来计算风力机叶片气动性 能的方法过去二十年以来，通过数值求解n a v i e r - s t o k e s 方程来精确有效的分 7 第1 章引言 析风力机气动性能方面的研究已经有了长足的进展。h 趾s 饥1 2 2 】等人首先通过数 值求解n a v i e r - s t o k e s 方程来研究风力机叶片旋转时的气动性能。w o l f e 和o d i n 驯 利用c f d 软件a c e 来研究风力机专用翼型s 8 0 9 和n a c a o o l 2 的气动性能。 y 觚一“l 等人利用c f d 方法研究了翼型$ 8 0 9 在大攻角情况下的气动性能。 c f d 研究风力机近年来发展十分迅速，随着电子计算机性能的不断提高以 及湍流模型的不断的深入研究，c f d 求解n a v i e r - s t o k e s 方程方法将会逐步成为 风力机叶片气动性能研究设计的有力工具阱】。 1 4 - 2 风力机结构动力特性分析 风力机结构动力特性分析主要内容是研究风力机结构的固有频率和振型， 从而分析预计其在外荷载作用下的结构动力学特性。在风力机发展的早期阶段， 其设计是依据准静态空气动力学计算方法，对于结构动力学，要么完全忽略， 要么采用估计的动力学放大系数。从上世纪7 0 年代后，在研究中采用了更为可 靠的动力分析方法，主要的方法有两大类，实验分析的方法和计算分析的方法。 实验分析的方法是将叶片无约束悬挂或者固定端支撑，施加激励信号，然 后通过通过测量输入信号和输出响应的信号，用参数识别的方法对其进行分析， 从而得出叶片在非运行状态下的动力学特性参数。p h i l i p p i d i s l 2 6 】等人和汕头大学 能源科学研究所 2 7 , 2 8 作出一些工作。此方法是一种对具体叶片的直接研究方法， 其结果是可靠的，但是由于目前一般大型风力机叶片通常都在数十米，限于实 验的设备和操作的经济性，并且叶片在旋转过程中固有频率和特性有所改变， 所以目前还尚未出现一种成熟可靠的实验方法能够对运行状态下的叶片进行结 构动力学分析。 风力机叶片经典的计算分析方法是对耦合的运动方程进行数值积分求解， 一般要对其运动方程进行简化求解，用f l o q u e t 理论估计动力稳定性，然后再用 积分求解。这种方法工作量大，高阶情况更是很难求解【2 9 】。目前普遍使用有限 元分析方法。将结构耦合的运动方程通过模态变换解耦成相互独立方程，接下 来求解每个独立的方程得到各个模态的特性参数，进而可以预测和分析系统的 运动特性。有限元方法是由平衡、物理、几何三个方程求导出结构的有限元基 本方程，得到结构各个模态的动力特性参数，进而可以预测和分析系统的运动 特性。窦秀荣【3 0 】综合考虑了风力机气动性能和结构动力学特性，建立了叶片的 8 第1 章引言 半刚性模型。信伟平【3 l 】采用多体动力学理论和三维立方体单元研究了旋转叶片 的动力特性。k o t t a p a l l i l 3 2 】等人推导出桨叶挥舞、摆振和扭转耦合运动方程 b a u c h a u l 3 3 1 和n i t h i a nt is i v a n e r i t 3 4 荆用有限元法对叶片进行建模，文献【3 3 1 中描述 叶片的大变形和旋转，采用三维非线性粱单元耦合了剪切、翘曲和弹性变形。 文献【3 4 】中采用2 节点1 0 自由度有限梁单元离散叶片，由h a m i l t o n 原理研究了挥 舞、摆振和扭转振动的稳定性。陈彦、王介龙p 5 】等采用了5 节点1 8 自由度的刚 柔混合梁单元模型，根据h a m i l t o n 原理研究了叶片的挥舞、摆振、扭转和轴向 位移四种弹性运动。 1 4 3 风力机整机流场特性分析 风力机整机流场特性分析是研究风力机流场内空气流动的一般规律。美国 能源部在科罗拉多州的美国国家可再生能源实验室0 仇j l ) 内成立了一个风能技 术中心。该中心安装几台试验风力机，其上装有先进的监控和数据读取系统， 对风力机进行监控。中心有一个8 0 米高的测风塔，以研究风的特性。如每日风 随时问变化，季风影响和紊流度等。美国国家可再生能源实验室于2 0 0 0 年在 n a s a 的a m e s 风洞实验中心的对一台风力发电机样机进行了风洞实验，同时与 数值方法进行了比较【3 6 】。d u q u e t 3 7 和a r a k w a w a ( 3 8 】分别利用c f d 方法研究了风 力机整机的流场。n i l a y i ”】等人利用c f d 软件p u m a 2 软件分析了n r e l p h a s ev i 水平轴风力机在失速和偏航状态下的流场。s t c f a n 2 0 1 利用c f d 软件e l l i p s y s 3 d 软件分析的风力机的尾流流场。s o r o n s c n1 4 0 , 4 1 荆用c f d 软件e l l i p s y s 3 d 分析了 风力机在大攻角以及大风停机工况下的流场。 目前，我国在风力机整机流场特性方面的研究比较缺乏。根据目前查阅的 文献，尚未找到有关风力机整机流场分析方面的相关文献。 1 5 本文工作的主要内容 综上所述，我国具有丰富的风力资源，风力发电在我国具有良好的发展前 景。目前，世界风力机正朝者大型化和柔性化方向发展，由于风造成的破坏时 有发生，因此风力机的抗风问题是一个非常关键的问题。根据目前的资料，利 用结构风工程的理论研究风力发电机抗风问题还比较少。风力发电机抗风分析 9 第1 章引言 的基础是整机的动力特性分析和流场特性分析，因此研究上述问题具有重要意 义。 本文在第一章中主要介绍了风力发电的意义、风力发电发展的现状及存在 的问题，介绍了风力发电机目前的研究现状。 第二章建立了风力机叶片的几何模型和有限元模型，用结构有限元软件 a n s y s 分析了叶片的结构静力特性。 第三章建立了风力机整机几何模型和有限元模型，并用a n s y s 分析了叶片 和整机的动力特性。 第四章介绍了计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的基本理论， 并用c f d 商用软件f l u e n t 对风力机在大风停机状态下的流场进行了数值模拟。 第五章对全文进行了总结和展望。 本文建立了风力机叶片和整机的三维有限元模型，对风力机整机进行结构 动力特性分析；通过商用计算流体动力学软件f l u e n t ，对风力机整机的流场进行 了数值模拟。通过本文的上述研究，可以为以后进一步的风力机抗风分析打下 基础。 1 0 第2 章风力机叶片的静力分析 第2 章风力机叶片的静力分析 2 1 风力机叶片几何模型的建立方法 对风力机叶片进行分析，首先需要建立叶片的几何模型。一般来说有如下 三种建立有限元模型的方法。 l 创建实体模型 实体建模方法可以使用户能够直接描述结构的几何边界、形状和几何尺寸 等几何特征。通过创建点、线、面、体的方式生成几何模型。在有限元程序中 创建实体模型时，有限元程序可以采用自顶向下、自底向上两种方法，可以采 用面和体的体素及布尔运算、拖拉、旋转、平移和复制等对几何模型进行操作， 从而使得工作量大大减少，效率提高，是一般建立有限模型的首选方法。 实体建模对于庞大但形状规则的模型，尤其对于三维实体模型更加合适， 相对需要处理的数据较少，允许对节点和单元进行几何操作( 如拖拉和旋转) ， 可以使用面、体素和布尔运算建立模型；而且在有限元程序中生成的实体模型 适合采用自适应划分网格，便于加载后迸行局部网格细化，单元类型的改变不 受分析模型的限制，便于几何上的改进和优化设计。但是在有限元程序中建立 实体模型时需要大量的c p u 处理时间。 2 直接建模方法 直接生成有限元模型是一种利用有限元程序直接定义节点和单元的方法。 这种方法对于小型或简单模型的生成比较方便，并且能够对几何形状以及每个 节点和单元的编号完全控制。由于简单零件直接建模所需的计算量少，因而对 机器的配置要求不高。但是对于复杂或者有时候几乎不可能实现准确的计算。 而且生成的模型严格按照节点和单元的顺序定义组集而成，即使节点和单元生 成操作可交替进行，单元必须在其节点全部生成后才能定义。这种建模方式不 能用有限元程序中的自适应网格划分功能，面且进一步改进网格划分十分困难， 使优化设计变的很不方便。 3 输入c a d 模型 输入实体模型是将在c a d 系统中创建好的实体模型通过数据接口引入到 第2 章风力机叶片的静力分析 有限元分析程序中去进行分析的一种方式。这种方式适用于那些形状复杂难以 在有限元程序进行造型的构件以及已经建立好c a d 模型的构件。 风力发电机叶片的几何外形是一个复杂的三维空间结构，由一些特征翼型 曲线构成截面，每个截面相对于轴心有一定的扭转角度。这样直接运用有限元 软件建模比较困难，本文采用引入c a d 模型法，通过其他三维c a d 软件如p r o e 导入翼型截面的数据点，建立起它的特征截面，截面与截面之间采用线性插值 的方式生成过渡截面，最后由面与面之间形成整个叶片的外形。这样就在计算 机中建立了叶片的实际几何模型。对这样一个有效的几何模型保存生成i g e s 格 式，利用数据接口，导入a n s y s 中进行后续的有限元分析。 2 2 风力机叶片几何模型的建立 风力机叶片几何形状复杂，直接建模很困难，故本文采用在三维c a d 软件 p r o e 中建立叶片的几何模型。本文通过在c a d 软件中建立实体模型的方法， 建立了叶片的三维实体模型。首先获取风力机翼型数据，然后计算弦长和安装 角等主要参数，根据点坐标的集合变换求出叶片各截面在空间实际位置的三维 坐标，最后输入p r o e 软件中建立叶片几何模型。 本文根据文i t 吠 4 2 的方法建立风力机叶片三维几何模型，该方法根据翼型的 翼弦几何坐标，推导出以翼型气动中心为原点的几何坐标，进而推导出各截面 翼型的空间实际坐标。具体步骤如下： ( 1 ) 获得叶片采用翼型的坐标数据 ( 2 ) 求解以翼型气动中心为原点、翼型前后缘连线为工轴的二维坐标。 设气动中心坐标为。则有； “，乃j = ( 黾，y o ) - c e 功 ( 2 1 ) ( 3 ) 计算叶片各叶素的离散点空间实际坐标仁乃z ) 。 1 依据弦长计算叶片各叶素坐标； 也，乃，= 瓴，y t ) x c ( 2 - 2 ) 式中c 翼型弦长 2 旋转叶素得到空问实际坐标； 1 2 第2 章风力机叶片的静力分析 y = ：霸c o s ( a r c t a n ， 2 + d ( 2 3 a ) 2 y 2 蹶唰一詈+ d ( 2 3 b ) ( 2 3 c ) 式中口安装角 ，一叶素回转半径 通过上述计算得到风力机各叶素离散点的空间几何坐标，导入p r o e 软件即 可得到叶片的三维实体模型。 2 2 1 叶片翼型的几何数据 本文风力机叶片采用n r e l $ 8 0 9 风力机专用翼型，其几何坐标数据如下表 2 1 所示；翼型截面见图2 - 1 。 图2 1n r e l $ 8 0 9 翼型截面 表2 1 n r e l $ 8 0 9 翼型数据 上弦下弦 x c y c x ，c y c o 咖3 7o d o ”s0 0 0 1 4- 0 0 0 4 9 8 0 瑚5 7 5n o l l 6 60 o d 9 3 3o 0 1 2 7 2 o 0 1 6 2 6 0 0 2 1 3 3o 0 2 3 2 1- 0 0 2 1 6 2 o 0 3 1 5 8 o 0 3 1 3 60 0 4 2 2 3_ o d 3 1 4 4 o m l 4 7 o 0 4 1 4 3o d 6 5 7 9- 0 0 4 1 9 9 仉钾5 醴 o 0 5 1 3 20 0 9 3 2 5o 0 5 3 0 l 1 3 第2 章风力机叶片的静力分析 0 1 0 3 9o 脚救0 1 2 3 9 7- o 0 6 4 0 8 0 ，1 3 5 8 0 0 6 9 7 2o 1 5 7 5 2_ 0 0 7 4 6 7 0 1 7 l n 0 7 7 8 60 1 9 3 6 2- 0 , 0 8 4 4 7 0 2 0 9 20 0 8 粥0 0 3 1 7 5- 0 0 9 3 2 6 0 2 4 9 8 70 0 9 1 1 3o ”1 2 9_ o 1 0 0 6 0 2 蛇5 9 0 0 9 5 9 4 o 3 1 1 站 o 1 0 $ 8 9 o 3 3 6 8 90 0 9 9 3 3 0 3 5 3 2 8 _ 0 1 0 晰 乱3 8 2 越晓1 0 | 0 90 3 9 5 4 l电1 0 8 4 2 o 4 2 啪o j l 0 1 0 lo 朋8 3 20 1 0 4 8 4 o 7 3 8 40 , 0 9 8 4 3 0 4 8 2 3 4o 0 9 7 5 6 o 5 2 0 0 50 0 9 2 3 70 5 2 8 3 7 m , 0 8 6 9 7 o 5 6 8 0 l0 0 8 3 5 6o 5 7 鳓- 0 0 7 4 4 2 o | 6 l z 4 7o 舶3 7 9o 6 2 6 4 9 - 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0 0 1 5 2 0 9 5 c h o r d 2 04 ，0 2 30 , 4 5 7- 0 0 s l 2 仉9 5 c h o r d 2 l 4 0 8 60 4 5 1- 0 j 4 7 5 2 0 9 5 c a c h o r d 2 24 3 9 10 舵- 0 , 9 2 2 0 9 c h o r d 2 34 6 9 60 0 8 91 3 5 2 2 0 9 铴f ：h o r d 2 4 4 7 8o j 8 11 4 6 92 0 9 5 c h o r d 2 55 0 3 5 81 7 7 52 0 9 c h o r d 2 65 3 0 503 2 80 2 1 9 1 2 0 9 c h o l d 2 75 5 3 2o 3 0 52 5 2 0 9 5 o h o r d 第2 章风力机叶片的静力分析 图2 2 叶片扭转角分布图图2 3 叶片三维实体模型 2 3 叶片有限元计算模型的建立 2 3 ，1 有限元方法简介 有限元方法的基本思想是将问题的求解域划分为系列具有有限数目未知 量的单元，即单元划分，单元间通过节点连接，单元内部的待求物理量可由单 元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。 理论上，有限元法是处理连续介质问题的一种方法。其基本的理论基础是 基于变分原理的r i t z 法。而基于变分原理的有限元法和经典r i t z 法的主要区别 是前者假设的函数不是在整个求解域，而是在单元上规定的，因此有限元法可 以处理很复杂的连续介质问题。上世纪6 0 年代后，人们在有限元法中主要应用 g a l c r k i n 法，通过利用加权余量的方式来确定单元特性和建立有限元求解方程。 这使得不存在变分泛函的情况下也可以应用有限元法，从而大大扩大了其使用 范围。 4 0 多年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空问问题、板壳 问题，由静力平衡问题扩展 到稳定性问题、动力学问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、 粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。 1 6 第2 章风力机叶片的静力分析 目前，国际上大型有限元分析程序主要有a n s y s ，n a s t r a n , a d i n a , s a p , a b a q u s 等。 有限元方法进行结构分析的基本步骤如下，图2 4 是有限元分析程序的基本 流程图【4 3 4 i 。 1 建立结构的有限元模型，针对实际问题的性质和 计算精度的要求，选择单元形态将