基于流固耦合的风力发电机叶片气弹稳定性分析

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随着风力发电在资源领域的日益兴盛,风力发电机的研究也受到了越来越强烈的关注。在风力发电机运行的过程中,叶片作为其转换能量的重要部件,每时每刻,都和流场发生着交互作用。对于流场而言,由于交互作用而产生的叶片形变,会使流场的形状发生改变;对于叶片而言,流场的形状变化,又对叶片产生了新的气动载荷。新的气动载荷再次使叶片发生形变,如此反复。这种叶片结构和流场之间的相互作用,就是叶片的气动弹性现象。在这种相互作用下,叶片可能会失去稳定性。叶片一旦失去稳定性,则会在短时间内,以裂纹、断裂等形式失效,给风力发电机带来致命性的打击。由此可见,叶片的气弹稳定性,对于风力发电机的正常运转来说,至关重要。本文基于ANSYS Workbench多物理场仿真平台,采用双向流固耦合的方法,对风力发电机中的叶片进行了气弹稳定性研究。论文主要工作有:1)阐述了流固耦合中计算结构力学(CSD)和计算流体力学(CFD)的基本原理,分析了流固耦合计算过程,在此基础上,研究了在ANSYS Workbench中实现流固耦合计算的方法。2)以某公司风力发电机叶片基本数据为基础,采用Glauert设计法,通过MATLAB软件编写程序,获得了叶片的空间坐标;采用UG三维建模软件,建立了风力发电机叶片的空间模型。3)在获得叶片空间模型的基础上,完成了离心载荷下叶片的预应力模态分析,并与静止状态的叶片模态进行对比,证明了叶片的运动状态,对其模态频率有较大的影响。4)采用流固耦合的方法,对处于设计工况下的叶片,进行了气动弹性分析,通过能量法,计算了叶片在一个周期内的气动功,判定了叶片的稳定性。5)为了检验上述气弹稳定性计算思路的合理性,本文对Rotor67转子进行了定常流场分析、流固耦合分析,并对所得结果进行了分析,表明以流固耦合计算的方式判断叶片的气弹稳定性,具备较好的可行性。本文采用的流固耦合方法以及得到的分析结果,对叶片气弹稳定性的探索,具有一定的参考价值。
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