16基于ANSYSWorkbench的风力机流固耦合分析

风机模型 （ 包括风场wk.baidu.com）
抑制风机部分 ， 对风场网格划分
对风场进行 CFD 分析 压力传递 进入 Static Structure
抑制风场 ， 对固体风机进行网格划分
１ 三维模型的建立
根据 选 定 的 湍 流 模 型 ， 把风作为黏性不可压缩 流体处理 ， 并设风 机 叶 片 表 面 无 滑 移 、 无 渗 透， 使得 且风机叶片与风场在耦合面上的 流体的运动有旋 ，
第３ ０ 卷第 ５ 期 ２ ０ １ ３年９月
河 北 工 业 科 技
Ｈ ｅ ｂ ｅ ｉ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０， Ｎ ｏ ． ５ Ｓ ｅ ｔ ． ２ ０ １ ３ ｐ
（ ，Ｈ ，Ｈ ； １． Ｅ ｕ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｅ ｂ ｅ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ａ ｎ Ｈ ｅ ｂ ｅ ｉ ０ ５ ６ ０ ３ ８， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ － ｑ ｐ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｇ ，Ｈ ，Ｈ ；３． ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｅ ｂ ｅ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ａ ｎ Ｈ ｅ ｂ ｅ ｉ ０ ５ ６ ０ ３ ８，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｈ ｅ ｂ ｅ ｉ Ｃ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｓ ａ ｌ ｅ ｓ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｇ ， ； ，Ｘ ， Ｂ ｒ ａ ｎ ｃ ｈ Ｃ Ｎ Ｐ Ｃ，Ｃ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｈ ｅ ｂ ｅ ｉ ０ ６ ２ ４ ５ ０，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ４． Ｇ ｕ ａ ｎ ｄ ｉ Ｃ ｏ ａ ｌ Ｍ ｉ ｎ ｅ ｉ ｓ ｈ ａ ｎ Ｃ ｏ ａ ｌ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｉ ｔ Ｇ ｒ ｕ Ｃ ｏ ｍ ａ ｎ Ｌ ｉ ｍ ｉ ｔ ｅ ｄ ｇ ｙ ｐ ｐ ｐ ｙ ， ） Ｔ ａ ｉ ｕ ａ ｎ Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ ０ ３ ０ ０ ２ ２， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｙ
Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｗ ｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ － ｐ ｇ ｙ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ
１ ２ ３ ４ ， Ｚ ＨＯＵ Ｈ ａ ｉ ｄ ｏ ｎ Ｚ ＨＡＮＧ Ｙ ａ ｎ ｗ ｅ ｉ Ｂ ｏ ｃ ｈ ａ ｏ Ｐ ＡＮＧ Ｗ ｅ ｉ ，ＷＡＮＧ ｇ，
； 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ４ ０ ８ ２ ０ １ ３ ０ ５ １ ３ － － － － 责任编辑 ： 陈书欣 ） 基金项目 ： 河北省教育厅科学研究计划项目 （ ２ ０ １ ０ Ｎ Ｓ ０ ７ ， 作者简介 ： 周海栋 （ 男， 浙江诸暨人 ， 硕士 研 究 生 ， 主要从 １ ９ ８ ８ －） 事并联机构尺度综合方面的研究 。 ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｈ ｏ ｕ ｈ ａ ｉ ｄ ｏ ｎ ２ ０ １ ３＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ｇ

（ ） １ ０ ０ ８ １ ５ ３ ４ ２ ０ １ ３ ０ ５ ０ ３ １ ４ ０ ５ 文章编号 ： － － －
基于 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 的风力机流固耦合分析
等： 基于 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 的风力机流固耦合分析 第 ５ 期 周海栋 ，
３ １ ５
Ｓ Ｙ Ｓ 已将 Ｃ Ｆ Ｄ 软件 Ｃ Ｆ Ｘ 整合到 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 中， 流固分析数据传递不需要借助接口软件 ， 避免了 数据传递的繁杂过程和数据丢失现象 ， 从而使分析结 果更精确 ， 与实际情况更接近 。 本文利用 ＡＮ 得出 Ｓ Ｙ Ｓ Ｃ Ｆ Ｘ １ ２ 进行流场分析 ， 叶片受到的风压 ， 再将数据传递给静力学分析模块 ， 计算得出叶片所受压力 、 变形等 ， 然后将数据传递给 模态分析模块 ， 得出叶片的前 ８ 阶模态 。 本研究中叶片模型不同截面处的叶素安装角， ］ 。 最佳弦长等数据来源于参考文献 ［ １
周海栋１， 张艳伟２， 王博超３， 庞 伟４
（ 河北工 程 大学 装备制造 学 院 ， 河 北 邯 郸 ０ 河 北 工 程 大 学 机 电 工 程 学 院， 河北邯郸 １． ５ ６ ０ ３ ８； ２． 中国石 油天然气股份 有 限 公司 河北 沧 州 销 售 分 公 司 ， 河 北 沧 州 ０ 西山煤电集 ０ ５ ６ ０ ３ ８； ３． ６ ２ ４ ５ ０； ４． ） 团官地矿 ， 山 西 太原 ０ ３ ０ ０ ２ ２ 摘 要： 利 用 ＡＮ 得 到 风 场 风 速、 叶片 Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 软件 对 ２ｋＷ 的 风 力 机 进 行 流 固 耦 合 分 析 ， 所受风压 、 叶 片变形 、 应 力 应 变等 有 限 元 分析 结果 。 同时 对 叶 片 本 身 、 叶片在风场中静止及旋转情 况下进行模 态 分析 ， 并进行比 较 。ＡＮ 利用 Ｗ Ｓ Ｙ Ｓ已将流体软件 Ｃ Ｆ Ｘ 整合到 Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 中， ｏ ｒ ｋ － ， 。 对 风 机进行 流 固耦 合 分析可 在 软 件 内 部 完 成 多 物 理 场 数 据 传 递 方 便 实 用 得 到 的 风 场 信 ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 叶 片 应 力云图 及 叶 片 的 模 态 分析 为叶 片 的 优 化 设 计 及 研 发 工作 提 供 直接数 据 ， 从而 减少产品 开 息、 发周期， 降 低开 发 成本 。 关键词 ： 风机叶片； 有限元； 流 固耦 合 分析 ； 模 态 分析 ： ／ 中图分类号 ： ＴＫ ８ ３ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ １ ０． ７ ５ ３ ５ ｈ ｂ ｋ ． ２ ０ １ ３ ｘ ０ ５ ０ ２ ｇ ｙ ｊ ｙ
， ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ＇ ｓ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ．Ｍ ｏ ｄ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｉ ｔ ｓ ｅ ｌ ｆ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｉ ｎ ｗ ｉ ｎ ｄ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｏ ｒ ｗ ｉ ｔ ｈ ｏ ｕ ｔ ｙ ， ａ ｒ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍ ａ ｒ ｅ ｄ ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ Ｃ Ｆ Ｘ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ ｉ ｔ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｎ ｉ ｅ ｎ ｔ ｆ ｏ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｄ ａ ｔ ａ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｒ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｇ ， ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｈ ｓ ｉ ｃ ｓ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｗ ｉ ｎ ｄ ｓ ｉ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｕ ｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｄ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ －ｐ ｙ ｑ ｙ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｆ ｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｃ ｃ ｌ ｅ ｉ ｓ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｅ ｎ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｓ ｔ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｐ ｇ ｐ ｙ ｐ ｏ ｆ ｍ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｉ ｓ ｃ ｕ ｔ ｄ ｏ ｗ ｎ ． ｐ
： ； ； ；ｍ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｗ ｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｄ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ － ｐ ｇ ｙ ｙ ｙ 它的设 叶片是风力发 电 机 组 的 关 键 部 件 之 一 ， 计直接影响到风 能 的 利 用 效 率 。 因 此 ， 对于叶片的 气动外形设计显得尤为重要 。 对叶片及流场进行有
限元分析能为叶片 的 优 化 设 计 、 改型及研发提供直 观准确的数据信息 。 随着 Ｃ 叶片的流固耦合可 Ａ Ｅ 软件技术的发展 ， 以在 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 中实现 。 最新的 Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 利用该功能可 １ ２ 在工程页 引 入 了 工 程 图 解 的 概 念 ， 以将一个复杂的包含多场分析的物理问题 ， 通过系统 间的连接实现其相关性 。 这种全新的界面使得用户 与软件的交互更加方便 ， 操作更 加 简 单 。 同 时 ， Ａ Ｎ －
： ， ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｗ ｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｉ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｂ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ．Ｔ ｈ ｅ ｗ ｉ ｎ ｄ ｓ ｅ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ － ｐ ｇ ｙ ｙ ｐ ｐ
域： 一个是旋转域 ， 另一个是静止域 。 旋转域表示与 风机一起旋转的有旋空气 ， 其转速与风轮转速相同 。 静止域表示风机 周 围 的 空 气 ， 其 速 度 即 为 风 速。 旋 转域用内部挖去风 机 形 状 的 圆 柱 来 表 示 ， 圆柱内部 挖去的型腔为 风 机 的 外 形 。 静 止 域 用 长 方 体 表 示 ， 内部挖去旋转域 ， 见图 １。 ） 从风场的流速图 （ 图３ 可以直 观 地 看 出 风 场 的 在叶尖处最大 ， 叶根处 流速从叶根到叶尖逐渐增加 ， 最小 。
２］ 。因 此， 速度压力均相 等 ［ 流场分析可以分为２个
对固体风机进行结构静力分析 数据传递 进入模态分析
对固体风机叶片进行模态分析
图 ２ 流 固耦 合 分析 流 程
Ｆ ｉ ． ２ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ － ｇ ｐ ｇ ｙ