垂直轴潮流能水轮机直叶片流固耦合分析.pdf

第36卷第5期
海洋技术学报
Vol. 36. No5
2017年10月
JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGY
0ct,2017
doi:10.3969/issn1003-2029.2017.05.018
垂直轴潮流能水轮机直叶片流固耦合分析
李霆,陈兵
(大连理工大学水利工程学院,迁辽宁大连124221)
摘要:在开放海城返行的潮流能水轮机要应对复杂多变的海洋环境,要有较好的刚度、强度和
抗疲劳性能。这对水轮杌结构,尤其是为其运行提供动力的叶片結构的设计提出了較高要求。文
中建立了垂直轴潮流能水轮机叶片及流场的三维数值计算模型,基于 ANSYS商业软件提供的
CFx与瞬时结构模块的双向流固耦合分析功能,分析了叶片在不同流速下的流体力学性能,分析
了流场的三维效应及其引起叶片升力损失的原因,研究了其结构的刚度和强度特性。还对比分析
了使用铝合金和钢材作为水轮机叶片材料的优劣
关键词:数値模拟;潮流能水轮杌;叶片;流固耦合;三鉾效应;结分析
中图分类号:P43.1文献标志码:A文章编号:1003-2029(2017)05-0112-08
垂直轴潮流能水轮机具有结构简单、可以利用法。Ng等分析了使用高强度碳纤维制作嘲流能水
各方向来流无需换向、发电机密封成本低、嗓音较轮机叶片的可能性。
小等优点。但垂直轴式水轮机的运行方式导致其
随叶轮旋转,水轮机叶片承受的水流作用力呈
叶片会受到来自潮流作用的周期性荷载,易发生疲周期性变化。采用流固耨合方法可以研究叶片受水
劳破坏。因此分析垂直轴潮流能水轮机叶片结构涴作用下的瞬时响应。荆丰梅等使用单向流固耦
的应力响应对于叶片的设计有一定价值。
合计算方法,将二维CX流体计算结果作为水轮机
水轮机叶片截面一般选用风力发电机的翼型,受力,将流体与结构中相对应的节点压力施加到结
或在其基础上进行改进。实践中各国研究人员开构有限元模型上,不考虑结构变形对流场的扰动,
发了多种叶片结构形式和材料。中国海洋大学王树研究了垂直轴潮流能水轮机的力学性能,其结果与
杰等研究了柔性材料叶片的应用,显示柔性材料实验吻合较好。刘雪峰等使用单向流固耦合计算
可以有效提高水轮机获能利用率。李冬等提出了方法分析了潮流能水轮机叶片的强度,得到了叶片
采用三维CAD、反求技术和快速原型技术快速制造的各阶模态振型频率及最大变形量。 Singh等硬
潮流能水轮机叶片原型的方法。 Laurier等研究了用流固耦合方法分析了韩国某1MW水轮机叶片
DCPD树脂叶片在水流单独作用和浪流同时作用
结构的强度,并对比分析了钢和铝两种材料叶片受
的应力应变规律,并指出:浪流同时作用下叶片应力的差异。在每一个循环中,叶片承受的最大作用
力有显著提高,在疲劳分析中需充分考虑其作用。力与水流的攻角和流速有关。对于采用NACA0018
应用较为广泛的是源自风力发电机叶片设计的蒙翼型的叶片,当雷诺数在0.25x10°-2×10°范国内时,
皮、主梁加腹板空心结构,该结构构造筒单,力的传在水流攻角为12附近叶片会受到较大升力,研究
导清晰明确,便于设计和计算;其材料可以是铝、钢此时叶片结构的应力响应对叶片的设计有一定价
材、复合材料等。 Harper等提出了一种研究复合材值。本文选用蒙皮、主梁、腹板结构建立了垂直轴潮
料水轮机叶片的裂纹生长和层合板失效规律的方流能水轮机叶片模型,使用流固耦合方法分析其受
收稿日期:2017-04-10
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51379036
作者简介:李霆(1993-),男,硕士,主要研究方向为海洋可再生能源。E-mail: t thunderbolt lee@outloo.on
通讯作者:陈兵(1970-),男,博上,副教授,主要从事海洋工程及新能源技术的研究工作。E-mail:chenbing@dlut.edu.cn
万方数据
第5期
李霆,等:垂直轴潮流能水轮机直叶片流固耦合分析
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12°攻角的不同流速水流冲击下的应力响应。
其中,0?Ml;S为不变测度的应变率。
1.2结构应力应变控制方程
流固耦合计算原理
本文中使用的材料均为均质线性材料,其应力
应变关系可由式()表示
.1流场控制方程及湍流模型
[)=Dl(el
本文中,CFX使用不可压的雷诺时均N-S方程
式中:{r-o:o,:ooxO为应力向
为流场控制方程,其表达式为:
量,[为弹性刚度矩阵,表达式如下
IE
E
E.000
a+。.ou+(,ル4马)+S,(1)
-/E IE- EO 00
为速度脉动项;S,为变形率张量;7为分子粘性应四」、E。ャ,12000
式中:U,p为时均的速度和压力值;p为密度;a
01/a.o。(8)
力张量;u为雷诺应力项,下标词xyx表示空间
坐标方向。为解决方程的封闭问题,引人湍流模型
000 IG
以构造脉动项与时均项的关系式。基于平均方程和
湍流模型的研究方法可以有效模拟小尺度涡的湍
式中:E为杨氏模量;v为泊松比;G为剪切模
流运动。
量;下标词=x,y,表示空间坐标方向。
目前研究人员已开发了多种湍流模型,其中基
e}={e-{e的为弹性应变向量,其中为温度
于 Boussinesq i涡粘性假设的二方程模型运用最为广
应变向量,}为应力应变向量,本文中未考虑温度
泛。k-oSST模型是一种混合模型,它在边界层内使
的影响,所以应变向量表达式如下
用k-模型计算,在外部流场使用k-模型计算
(e=), e, e, 6y er EAT (9
同时通过对粘度系数的限幅,ん-ST模型修正了
k一模型未考虑剪切压力输送的问题,可以更精确2 ANSYS流固耦合计算方法
地预测涡的分离,不可压缩流k-SST模型的湍动
能和比耗散率方程为:
2.1耦合计算流程
IPX
)-aい品e」」+o()能可以实理Cx和时结构的双向統固根合
计算。有别于单向流固耦合方法仅考虑流场对结构
的作用力,双向流固耦合方法还考虑了结构变形对
dt
3)流场的干扰作用,可以更真实地模拟流场和结构的
+(1-)2p
00x
瞬时变化。一个典型的流固耦合模型包含流场和结
构场两个场,两个场有至少一个耦合面。耦合计算
其中,P是湍动能的产生项:
中,流场、结构场和耦合面处都有独立的收敛目标
a/:,0U,いU
P
(4)流场计算时间步为△,结构场计算时间步为△t,两
个场间隔时间4m耨合一次,它们之间满足△A
式中:参数向(ゃ代指a,Bo,0)是k-模型△4=nA,n=12,3--次耦合中对结构场的多时间
和k-e模型中参数的线性组合:
步求解可以帮助复杂模型收敛,提高计算的精度和
中=Fゆ+(1-P)
稳定性。
式中:F在边界层内取值为1,边界层外取值为
耦合计算的累积时间步反映了真实的模拟时
0;式中参数见下表
间t,即t= nat。tn时刻开始的一个耦合时间步的计
Ba1 Bt
B2
算流程如下
0.095/90.075220.440.082811/0.856
(1)求解