复合材料风电叶片流固耦合数值模拟

【摘要】：本文在江苏省科技成果转化专项资金项目—3.0MW到5.0MW风力发电机组风轮叶片研发及产业化(ba2011097)的支持下,利用有限元分析软件和计算流体动力学软件对1.5MW级大型风力发电叶片的流固耦合仿真进行了可行性研究。 论文首先总结了风电叶片的动量理论和风电叶片主要的气动参数,并对文章所研究的风轮叶片的尖速比、风能利用效率进行了计算,为后文奠定了理论基础。 在ANSYS WORKBENCH环境下建立风电叶片几何全模型的新方法,在几何模型的基础上进行网格划分、荷载施加,并进行了结构静荷载分析、模态分析、线性屈曲分析。查阅了国内国外的风轮叶片标准,对应力安全系数做了总结,以此对计算结果作出评价。为后文结构铺层改进提供依据。 在计算流体力学的理论基础上,采用计算流体力学软件计算分析了叶片周围流场分布,研究了叶片与流场的单向耦合、双向耦合作用。研究了结构与流动空气的相互影响机制,利用有限体积法对叶片全模型在风场中受到的气动荷载的影响进行了模拟分析。同时,分析了叶片的变形对于周围流场的影响,得到了叶片的整体应力、应变以及周围流场的分布规律,并对结构铺层做了改进。 论文所做的工作,目的是寻找一种研究风电叶片结构与流动空气相互影响的新方法,为后期的风电叶片结构设计与气动设计研究等提供相关的参考数据。使得叶片结构较高的强度、刚度储备又不造成材料浪费。 【关键词】：风力机叶片 计算流体力学 流固双向耦合 空气动力学 数值模拟
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O35
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-13
• 1.1 选题背景及意义8-9
• 1.2 国内外风力机研究开发现状9-11
• 1.3 本文主要目的和研究内容11-13
• 第二章 风电叶片动量理论及气动参数的确定13-21
• 2.1 概述13
• 2.2 风力机的动量理论13-15
• 2.3 叶片的基本概念及气动参数的确定15-19
• 2.3.1 叶片基本概念15-17
• 2.3.2 叶片气动参数的确定17-19
• 2.4 风力机风能利用系数及尖速比的核算19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第三章 风电叶片结构校核分析21-37
• 3.1 叶片三维几何模型的建立21-25
• 3.1.1 概述21-22
• 3.1.2 叶片翼型型值点22-23
• 3.1.3 ANSYS WORKBENCH中三维几何模型的建立23-25
• 3.2 叶片有限元模型的建立25-29
• 3.2.1 单元类型的选择25-26
• 3.2.2 有限元模型的建立26-27
• 3.2.3 风电叶片的荷载27-28
• 3.2.4 叶片局部安全系数28-29
• 3.3 风电叶片静力行为分析29-31
• 3.4 风电叶片动力行为分析31-36
• 3.4.1 风电叶片模态分析31-33
• 3.4.2 风电叶片屈曲分析33-36
• 3.5 本章小节36-37
• 第四章 风电叶片流固耦合分析37-66
• 4.1 流体力学的研究方法37-38
• 4.2 计算流体力学(CFD)的基础知识38-41
• 4.2.1 计算流体力学的基本思路38-39
• 4.2.2 流体力学的基本方程39-40
• 4.2.3 三维湍流模型40-41
• 4.3 流体域模型建立41-45
• 4.3.1 流体域的几何模型41-42
• 4.3.2 流体域的离散42-45
• 4.3.2.1 流体域网格的划分工具42-43
• 4.3.2.2 流体域网格划分的具体步骤43-44
• 4.3.2.3 流体域网格质量检查44-45
• 4.4 风电叶片周围流场数值仿真45-54
• 4.4.1 ANSYS CFX简单介绍45-46
• 4.4.2 CFX求解46-54
• 4.4.2.1 CFX—Pre设定46-50
• 4.4.2.2 CFX-Solver求解及求解监视50-52
• 4.4.2.3 CFD-Post查看结果52-54
• 4.5 风电叶片流固耦合仿真54-63
• 4.5.1 流固耦合分析方法概述54
• 4.5.2 风电叶片流固单向耦合分析54-59
• 4.5.3 风电叶片流固双向耦合分析59-63
• 4.6 铺层改进63-64
• 4.7 本章小结64-66
• 第五章 结论与展望66-69
• 5.1 本文结论66-67
• 5.2 研究展望67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 攻读学位期间发表的论文74

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