【正文】 圖5 轉(zhuǎn)子扭矩的收斂圖表2 CFD網(wǎng)格靈敏度結(jié)果綜述。湍流模型本研究使用的湍流模型是ω?K SST（剪切應(yīng)力運輸）模型。Menter（1993）繼續(xù)發(fā)展了這兩方程模型，能夠得到一定的好處從方程轉(zhuǎn)變?yōu)棣?k湍流模型（Jones 和Launder，1972），適合模擬遠場的流動，一個ω?k湍流模型（被知名Wilcox, F提出），適合于邊界層模擬。這個模型已被廣泛使用在涉及在有利風(fēng)機葉片的研究中，（S248。rensen 等人., 2002。 Mo 和 Lee, 2012）可以從FLUENT的SST模型的傳輸方程計算出湍動能k和特定的耗散率ω（2013）。求解，空氣可以被認(rèn)為是不可壓縮的（Anderson，2011）。因此，流體的密度近似為常數(shù)。*105公斤/ ms_1。使用基于壓力的不可壓縮RANS（雷諾茲平均方程）方程求解耦合算法，它解決了動量和壓力為基礎(chǔ)的連續(xù)性方程緊密耦合的方式。壓力為基礎(chǔ)的隔離算法，與動量和壓力為基礎(chǔ)的連續(xù)性方程分別解決相比，基于壓力的耦合算法顯著提高了收斂速度（FLUENT，2013）。收斂準(zhǔn)則為了評估的CFD分析的收斂性，在這項研究中，我使用兩個標(biāo)準(zhǔn)：殘差值與凈質(zhì)量失衡。l 殘差值殘差是評估CFD解收斂的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。在這項研究中，監(jiān)測計算過程中的六個變量（連續(xù)性，X速度、 Y 速度、Z速度、湍動能k和損耗率ω）的殘差值。當(dāng)這些殘差值低于104可認(rèn)為已經(jīng)收斂（Yelmule 和 Vsj,2013。 Kim等，2011），這是風(fēng)力渦輪機葉片的CFD模型殘差收斂準(zhǔn)則的典型值。殘差值的收斂過程的一個例子如圖6所示。在這種情況下，風(fēng)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，俯仰角分別為800米/秒，15RPM，176。如從圖6可以看出，所有變量的殘差值小于10_4，滿足收斂準(zhǔn)則。圖6 殘差l 凈質(zhì)量失衡為了進一步確認(rèn)收斂是凈質(zhì)量不平衡檢查。%（Bourdin 和 Wilson，2008）。 解決和處理過程結(jié)果在這項研究中涉及的流體流動問題是高度非線性的。因此，CFD解決方案必須迭代計算。在這項研究中，迭代的數(shù)目被設(shè)置為1500，這是一個相對大的數(shù)目，以確保足夠的迭代進行。此外，使用標(biāo)準(zhǔn)的初始化方法，和從入口邊界計算初始值。解決方案收斂后，CFD分析結(jié)果，如氣動壓力和作用在葉片上的扭矩，然后可以繪制使用ANSYS FLUENT的后處理功能。 FEA模型建立 利用ANSYS靜力結(jié)構(gòu)模塊（2013，ANSYS）建立了風(fēng)力機復(fù)合葉片有限元分析模型。幾何、材料性能、混合接頭，用于有限元建模網(wǎng)格和邊界條件是本節(jié)介紹的。 幾何 Malcolm 和 Hansen (2002),Griffin (2001),Malcolm 和 Hansen (2003),Resor 和 Bushnell(2011)（如弦、扭角和截面翼型）。創(chuàng)建的葉片幾何形狀如圖1所示。 材料特性，分別是凝膠漆，高熱能塑性復(fù)合材料，cdb340三向織物、巴耳薩木棉纖維和翼梁帽混合物（70%單向和30%三向織物）。這些材料的性能，在表3中進行了總結(jié)。表3 材料特性（Resor 和 Bushnell，2011）。（在前是縱向楊氏模量；EY是橫向的楊氏模量，Gxy是剪切模量；；νxy是泊松比；ρ是物質(zhì)密度）?；旌辖宇^葉片結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。圖7 葉片結(jié)構(gòu)示意圖。從圖7可以看出，葉片結(jié)構(gòu)由三部分組成：葉根，葉殼和剪切網(wǎng)，其中復(fù)合組總結(jié)如下。l 葉根葉根不包括輕巴耳薩木棉纖維和翼梁帽混合物。葉片根部的復(fù)合組在表4中。表4 葉根復(fù)合棧（Resor 和 Bushnell，2011）。l 葉片殼體葉片的外殼定義了一個有一個核心的厚度的幾何形狀的功能，如弦長C或翼型厚度T表5了葉片殼體復(fù)合上籃。在表5中，指定的TC %到75%葉片跨度的晶石帽混合物轉(zhuǎn)換。表5 葉片殼復(fù)合上籃（Resor 和 Bushnell，2011）。l 剪切腹板抗剪腹板組成的三向織物和巴耳薩木棉纖維。表6給出了剪切腹板復(fù)合組成。表6 復(fù)合層的抗剪腹板（Resor 和 Bushnell，2011）。有限元分析網(wǎng)格劃分葉片結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與殼單元組合。為了確定合適的網(wǎng)格尺寸，進行網(wǎng)格敏感性測試，考慮到四網(wǎng)格尺寸，，，葉片是不旋轉(zhuǎn)的，和一個固定的邊界條件施加到葉片。葉片的前6階模態(tài)頻率進行了評價，并分析結(jié)果。從表7可以看出，進行相比后相比具有最大的相對差異（%）發(fā)生在第一方模式。因此。創(chuàng)建的網(wǎng)格是在圖8a所描繪的，而在圖8b了葉尖的近景。表7 網(wǎng)格靈敏度分析。（注：差異（%），）。圖8 有限元分析網(wǎng)格：（a）葉片，（b）葉片尖端的閉合視圖。 邊界條件除了氣動載荷，有葉片上的載荷的另外兩個重要來源：1）重力荷載，這是由重力作用引起的；2）離心載荷，這是由葉片的旋轉(zhuǎn)造成的。在這項研究中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速被施加到葉片結(jié)構(gòu)上得考慮到離心載荷，重力載荷也作為一個靜態(tài)負(fù)作用在荷葉片的結(jié)構(gòu)。此外，一個固定的邊界條件施加到葉片根部。 解決和處理過程結(jié)果在定義了葉片的幾何形狀，材料性能，復(fù)合上籃、網(wǎng)格和邊界條件，不同類型的結(jié)構(gòu)分析，可以進行靜力分析和模態(tài)分析。利用ANSYS軟件的后處理函數(shù)，繪制葉片變形、應(yīng)力分布和模態(tài)等分析結(jié)果。單向耦合FSI模型的耦合方法是基于單向耦合，流場的CFD求解，直到達到收斂標(biāo)準(zhǔn)。從CFD建模得到的葉片上的氣動壓力，然后映射到有限元模型作為負(fù)載邊界條件。然后，用有限元模型計算了葉片在氣動、重力和離心載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)（如變形和應(yīng)力分布）。單向FSI模型的示意圖如圖9所示。CFD模型和有限元分析的FSI模型的細節(jié)。圖9 單向FSI建?；诘?節(jié)提出的方法，建立了水平軸流式風(fēng)力機葉片的單向FSI模型，并通過一系列的基準(zhǔn)計算試驗進行了驗證。單向FSI模型的組成部分，即基于CFD和基于FEA的結(jié)構(gòu)元件的氣動元件，獨立驗證。經(jīng)過驗證，、撓度和應(yīng)力分布。與建立模型的比較驗證模型包含兩種1）驗證氣動元件對功率曲線數(shù)據(jù)曲線數(shù)據(jù)；2）和驗證結(jié)構(gòu)模態(tài)分分析結(jié)果對組件的作用。確認(rèn)的CFD模型，進行了兩個案例研究。在第一個案例研究，從CFD模型的功率曲線與NREL的快速編碼結(jié)果進行比較（Jonkman和Buhl，2005）。在第二個案例研究中，從CFD模型的葉片壓力系數(shù)Cp與無粘模型的結(jié)果進行比較。. 隨著國家可再生能源實驗室的快速代碼（Jonkman和Buhl，2005），其中基于邊界元法計算BEM（葉素動量）模型。NREL（美國國家可再生能源實驗室）開發(fā)了快速代碼模型兩葉和三葉片水平軸風(fēng)力渦輪機，它已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組的研究機構(gòu)和工業(yè)實踐。在2005年，GL（Ger manisher Lloyd），一個在風(fēng)能領(lǐng)域領(lǐng)先的認(rèn)證機構(gòu)，發(fā)布其負(fù)荷計算快速陸上風(fēng)力渦輪機認(rèn)證（Jonkman和Buhl，2005）。在這項研究中，其中自由來流風(fēng)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角在圖10和表8。表8 操作條件圖10 操作條件。獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩T后，發(fā)電機功率PG可以很容易地確定使用以下方程：PG=πTη在Ω是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；（2001）。圖11給出的結(jié)果從CFD模型計算和報告的快速編碼結(jié)果的比較在加利亞。（2011）。圖11 。從圖11可以看出，從CFD模型的結(jié)果顯示合理的協(xié)議與快速代碼的結(jié)果，最大百分比差異（%）發(fā)生在風(fēng)速為8m/s。這證實了CFD模型的有效性。對于表8每個運行條件提出，壓力系數(shù)Cp在兩個展向剖面（即R ），相應(yīng)步驟S825和S826翼型。從報告（Somers，2005）的CFD得到CP圖相比，每個機翼粘壓分布在每一個截面的攻角。比較結(jié)果顯示在圖12 16。 圖12。8m/s的情況下CP的輪廓：（一）S825在α=4176。（B）s826在α =6176。圖13。12m/s例CP的輪廓：（一）S825 在α=4176。，（b）S826在α= 2176。圖14。16m/s的情況下CP的輪廓：（一）在α步驟S825176。（B）= 0，3 =?176。S826在α。圖15。20m/s的情況下CP的輪廓：（一）S825在α=?2176。，（b）S82在α=?6176。圖16。24m/s的情況下CP的輪廓：（一）S825在α=?4176。，（b）S826在α= ?7176。從圖12 16可以看出，從CFD的結(jié)果顯示出合理的一致與無粘模型的結(jié)果，無論是在分布形狀和CP的大小。還應(yīng)當(dāng)指出的是，相比于CFD模型，在前緣的壓力峰值的預(yù)測是在無粘模型觀察。這是由無粘勢模型理論的使用造成的。具體而言，理論認(rèn)為，粘性效應(yīng)不是潛在的，流體加速遠離前緣駐點的速度比在現(xiàn)實中，由于缺乏粘性引起的氣動阻力。這個預(yù)測前緣壓力峰值在粘性模型已被證明在其他研究比較時，勢流理論對實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)（Pinkerton, 1936。 Sosa 等人.,2006）。此外，截面的攻角使用NREL快速代碼相同的流量條件下的CFD模型計算，但計算值已圓因為粘圖只能在固定的整型值。這也可能導(dǎo)致粘圖和計算結(jié)果之間的差異。驗證的有限元模型（Resor 和 Bushnell，2011）。在這種情況下，葉片是非旋轉(zhuǎn)和自由振動（葉上無負(fù)載）。一個固定的邊界條件施加到葉片根部。第一階六個葉片模態(tài)形狀（包括四個揮舞模式和兩個沿邊模式）的有限元模型，得到了在圖17和18中描繪。圖17。葉片揮舞模態(tài)形狀：（一）第一、（B）第二（C）第三（D）第四圖18。葉片邊緣模態(tài)形狀：（一）第一、（B）第二。從目前的有限元模型的模態(tài)頻率結(jié)果與葉片模型報告的有限元分析結(jié)果比較（Resor 和 Bushnell,2011，2011），如圖19所示。圖19 可以從圖19看出，揮舞和方絲弓葉片模態(tài)頻率在目前的有限元模型的匹配的很好在Resor 和Bushnell (2011)，與最大百分比差異（%）同時觀察第四揮舞模式。這證實了本有限元模型的有效性。FSI模擬結(jié)果基于單向流固耦合模型，壓力分布，（見表8）進行檢查。.（見表8），壓力輪廓在兩個葉片前（壓力）和背面（吸力）雙方產(chǎn)生，如圖20所示。最初，從圖20 A和B中可以看出，在葉片吸力面前緣上觀察到的最高負(fù)壓，最高正壓發(fā)生在葉片壓力表面前緣附近。然而，由于葉片是斜向羽，葉片變得更加平行（共線）的氣流。這會導(dǎo)致停滯點被轉(zhuǎn)移到吸入表面，從而導(dǎo)致較低的負(fù)壓力的葉片的后部，由于降低空氣流速。俯仰行動也導(dǎo)致更快的移動氣流在刀片的底部，導(dǎo)致吸力的壓力表面。這導(dǎo)致在兩個表面之間的壓力符號反轉(zhuǎn)。圖20 葉片壓力分布：（A）8m/s，（B）12m/s，（C）16m/s，（D）20m / s，（E）24m/s。撓度 在五個操作條件下的葉片總變形如圖21所示。圖21 葉片總變形：（一）8m/s，（B）12m/s，（C）16m/s，（D）20m／s，（E）24m/s如圖21所示，在所有操作條件下，最大變形發(fā)生在葉尖上。五操作條件下的葉片揮舞和方絲弓變形如圖22。 可以從圖22看出，葉尖撓度隨著風(fēng)速的方法米/然而，由于葉片越來越高亢的向羽以上的風(fēng)速12m/s，葉尖撓度減小。這增加減小變形行為是由圖20所示的壓力分布的支持，在葉片壓力面壓力視為先增加8 12m/s然后葉片壓力越來越更加平衡的上、下表面12～4米/秒的刀片是投。因此，直觀地說，這將導(dǎo)致增加撓度下降，如圖22所示。此外，渦輪輪轂有懸指定（塔清除），（在12米/秒的風(fēng)速觀測）是遠低于這個值，說明葉片是不可能走在塔下給予五的操作條件。圖22 葉片揮舞和方絲弓變形。應(yīng)力分布所有五個操作條件被認(rèn)為是葉片應(yīng)力分析。壓縮和拉伸應(yīng)力檢查的三向織物，第三層的復(fù)合剪力。這種材料的最大壓縮和拉伸應(yīng)力比較五例見表9。從表9可以看出，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力發(fā)生在風(fēng)速12米/秒，對應(yīng)于最大葉片揮舞偏轉(zhuǎn)。五例葉片的應(yīng)力分布如圖23所示。從圖23可以看出，大多數(shù)的最大應(yīng)力被發(fā)現(xiàn)發(fā)生在葉片根部區(qū)域，主要是在其之間的交界處的剪切腹板。然而，為24米/秒的情況下（見圖23E），由于減少根部彎矩，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力在葉片吸力面確定，分別。在最壞的情況下，風(fēng)速12m/s，最大拉應(yīng)力（正應(yīng)力）和最大壓應(yīng)力（負(fù)正應(yīng)力） ，這遠低于三軸織物的最大抗拉和抗壓強度（通常是為了200–300mpa（Corning，2003））。根據(jù)GL設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（Guideline 和 Lloyd，2010）和Bak等人（2013），Griffith 和 Ashwill（2011）。在這種情況下。這表明在給定的五個操作條件下葉片不太可能遇到材料失效。表9 三向織物峰值應(yīng)力比較圖23 正常的應(yīng)力分布：（一）8m/s，（B）12m/s，（C）16m/s，（D）20m／s，（E）24m/s4 結(jié)論在這項研究中，一個FSI（流體結(jié)構(gòu)相互作用）模型的水平軸風(fēng)力渦輪機葉片已經(jīng)建立了耦合CFD（計算流體動力學(xué)）和有限元分析（有限元分析）。耦合的策略是基于單向耦合，其中氣動載荷通過CFD模擬計算映射到有限元建模作為載荷邊界條件，通過一系列的基準(zhǔn)計算的試驗驗證，大型水平軸風(fēng)力機葉片的代表。從目前的研究可以得出以下結(jié)論：1）合理的協(xié)議（%）實現(xiàn)快速代碼相比，這證實了氣動元件（CFD）的FSI模型的有效性。2）良好的協(xié)議（%的最大差異百分比）是與葉片模式報告提供的模態(tài)頻率的比較，證實了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有效性（FEA）的流固耦合模型。3）基于流固耦合模型，對葉片的壓力分布、撓度和應(yīng)力分布五個操作條件下檢查（風(fēng)速8m/s，12m/s，16m/s，20m/s和24m／s）。4）從本模型的葉片壓力系數(shù) Cp顯示與無粘模型的結(jié)果，無論是在分布的形狀和大小的合理的協(xié)議。5）最大葉片揮舞偏轉(zhuǎn)（）在12m/s風(fēng)速的情況下觀察到的，這是低于塔間隙（330萬），說明葉片是不可