隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)電機(jī)組葉片尺寸也越來越長。對(duì)于超長風(fēng)電機(jī)組葉片的氣動(dòng)計(jì)算及結(jié)構(gòu)計(jì)算，常規(guī)的葉片剛性體假設(shè)所引起的誤差越來越大，因此必須考慮葉片在風(fēng)載條件下結(jié)構(gòu)變形對(duì)氣動(dòng)力的影響。流固耦合(fluid-structure interaction, FSI)是研究風(fēng)電機(jī)組葉片氣彈特性及結(jié)構(gòu)特性的重要手段，國內(nèi)外通過流固耦合對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、流場變化、葉片載荷分布等特性進(jìn)行了一系列研究。流固耦合按照求解方法可分為完全耦合和交替求解。李媛等以MPCCI為數(shù)據(jù)交換平臺(tái)連接商用CFD,CSD軟件，模擬考慮風(fēng)切變時(shí)輪轂高度額定風(fēng)速下的風(fēng)輪全三維流固耦合，分析了風(fēng)剪切對(duì)葉片繞流、變形以及耦合作用對(duì)載荷分布的影響規(guī)律。胡丹梅等采用k-SST紊流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行了流固藕合計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)葉片流固耦合作用使葉片氣動(dòng)攻角、扭矩增大。Zahle等采用不可壓縮重疊網(wǎng)格技術(shù)，分析了水平軸風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪與塔架間的耦合作用。Hsu等通過對(duì)5 MW三葉片水平軸風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪在有無塔架情況下進(jìn)行了流固耦合研究，發(fā)現(xiàn)葉片轉(zhuǎn)過塔架時(shí)由于塔影效應(yīng)使單個(gè)葉片氣動(dòng)扭矩降低10%-12%。 Zhang等通過對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)切變對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片變形及應(yīng)力的影響明顯大于流固耦合所產(chǎn)生的作用。任年鑫等基于三維黏性不可壓縮Navier-Stokes方程和重整化群k-ε(RNG)湍流模型，數(shù)值模擬美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)5 MW海上風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能，并研究了浮式平臺(tái)不同運(yùn)動(dòng)幅值及運(yùn)動(dòng)周期對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。陳海萍等選用k-ε湍流模型，將風(fēng)作為黏性不卡壓縮流體，計(jì)算出流固耦合作用下風(fēng)電機(jī)組葉片的應(yīng)變分布。李德源等采用計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，基于R-W(Roberson-Wittenburg)建模方法，建立柔性葉片的氣彈耦合方程，結(jié)合相應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)載荷分析模塊，實(shí)現(xiàn)了葉片的氣彈耦合分析。王旭東等將葉片的啟動(dòng)與結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行耦合，研究葉片變形對(duì)來流的影響，提出一種旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)構(gòu)性能分析方法。Dong等應(yīng)用CFD-CSD禍合方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片的載荷及氣彈特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)葉片氣彈變形顯著降低氣動(dòng)載荷。MEXICO (model experiment incontrolled conditions)實(shí)驗(yàn)是由歐盟資助的一項(xiàng)大型風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)。梁明軒通過對(duì)葉片模態(tài)分析得到葉片各階模態(tài)，發(fā)現(xiàn)葉片扭轉(zhuǎn)、揮舞、擺振三者之間的耦合，并對(duì)葉片氣動(dòng)彈性問題進(jìn)行研究，建立葉片顫振方程，確定了葉片顫振發(fā)散條件。楊華等應(yīng)用風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)葉片表面壓力的三維PIV(particle image velocimetry)流場測量方法，測試得到無偏航工況下葉片上5個(gè)測試斷面的表面壓力系數(shù)分布，并計(jì)算了該工況下葉輪所受的軸向力和切向力。潘旭運(yùn)用Ansys、CFX基于Ansys Workbench軟件平臺(tái)對(duì)某MW級(jí)水平軸風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬，分析了藕合過程中葉片的變形及應(yīng)力變化。陸洋等利用Newmark數(shù)值積分法獲得葉片氣彈響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)周期解，分別以NREL Phase VI非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)及其公開的1.5 MW風(fēng)電機(jī)組葉片為算例計(jì)算了有/無預(yù)彎葉片的氣彈響應(yīng)。以上研究均通過建立風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的計(jì)算模型對(duì)風(fēng)輪流固禍合進(jìn)行研究，網(wǎng)格劃分困難，涉及到移動(dòng)域與靜止域網(wǎng)格匹配等復(fù)雜過程，計(jì)算成本高。為此，本文采用風(fēng)切變形式模擬風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)及來流風(fēng)速的綜合效應(yīng)，研究風(fēng)電機(jī)組葉片流固耦合數(shù)值模擬的一種新方法。
1流體計(jì)算模型
1.1流體域求解方法
流場中的控制體既不能產(chǎn)生質(zhì)量也不能消滅質(zhì)量，因此它滿足質(zhì)量守恒定律。該定律在流場中的數(shù)學(xué)表達(dá)式為連續(xù)性方程
式中，p,t,V分別為流體密度、時(shí)間和流體速度。
動(dòng)量守恒定律可表述為：控制體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。其在流場中的數(shù)學(xué)表達(dá)式為運(yùn)動(dòng)方程
能量守恒定律是流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的基本定理，在不考慮溫度變化條件下，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
式中，F(xiàn)為質(zhì)量力，P 為表面壓強(qiáng)。
1.2葉素速度
風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪運(yùn)行過程中實(shí)際參考風(fēng)速為來流風(fēng)速和旋轉(zhuǎn)風(fēng)速的共同作用，通過改變?nèi)~片不同葉展處的風(fēng)速可實(shí)現(xiàn)正常來流風(fēng)速和旋轉(zhuǎn)風(fēng)速的疊加效果。不同葉展處的參考風(fēng)速Vref的計(jì)算公式為
式中，Vo為自然來流風(fēng)速;w 為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度;r 為葉展位置的旋轉(zhuǎn)半徑;a為軸向誘導(dǎo)系數(shù);a’為切向誘導(dǎo)系數(shù)。
葉素速度矢量的三角形關(guān)系如圖1所示，圖中α、β、Ø分
