丛日强 张 永 王 健

（内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

电能是当今社会的核心能源，风力发电凭借风能蕴藏量大、无污染、易于开发等优点在各种清洁能源中脱颖而出被重点开发和利用。风力机叶片风力发电机组的关键部件，承担着能量转换的重要作用[1]。在风力机叶片长期的运行过程中，恶劣的环境和自身复杂的应力使风力机叶片表面及内部产生多种损伤，极大地影响了风力机叶片的安全运行和使用寿命，因此及时检出损伤对确保风力发电机组的安全运行、减少维护成本、高效利用风能有着重要意义。

相较于外部损伤，内部损伤的检测具有一定难度，在现有的内部损伤检测方法中，红外热像检测技术因非接触、扫描面积大、效果直观等优点被广泛应用。康爽[2]等使用2个1 kW卤素灯持续激励包含泡沫PVC、气泡、褶皱三种缺陷的玻璃纤维试件，并使用热像仪记录激励过程中三种缺陷区域与正常区域的温度，分析各缺陷区域与正常区域的温差，设置不同的温差阈值判断缺陷类型。吴国境[3]等在室外条件下以太阳为激励源，对附有人工损伤的2 kW风电叶片进行了红外热像检测，结果表明，三种损伤在不同环境温度和太阳辐照度下表现出不同温度场分布。红外热像检测技术不仅与损伤本身参数有关，受环境因素影响也较大。Tamara[4]等以退役的风力机叶片段为研究对象，在室外环境下采用红外热像仪，对风力机叶片段内部人工损伤、胶粘分层和油污等进行了检测，结果表明，不同类型损伤在不同空气温度、湿度和太阳照射条件下呈现出不同的效果。

综上所述，在现场对风力机叶片使用红外热像技术进行损伤检测受自然环境因素的影响较大，且每个因素的最佳条件难以同时具备，因此探究影响风力机叶片户外红外检测的主要自然条件十分必要。在主要影响因素达到条件时，降低其他影响因素的要求可以增加检测作业时长。本研究通过数值模拟的方法，设置正交试验并对结果进行方差分析，探究了太阳辐照度、环境温度和风速三种因素对风力机叶片内部损伤检测效果影响大小。

1 因素水平的确定

为应对现有无人机巡检趋势，结合内蒙古地区自然气候条件，确定各因素水平如表1所示最终确定各因素的水平列于表1所示。

表1 因素水平表

2 数值仿真研究

COMSOL是一款具有多物理场耦合分析能力的数值仿真软件，模型构建十分灵活，选取单或多个物理场，从材料库选择材料或建立新材料，自由定制边界条件、网格划分等。在仿真计算后，调用COMSOL强大的数据处理能力，可根据需求绘制图形或导出数据。因此，本文选用COMSOL作为仿真软件。

2.1 几何模型的构建

以现有的1.5 MW风力机叶片叶尖段为建模对象，该叶片段高60 cm，宽80 cm，后20 cm，壳体厚5 mm，叶片内部以短轴所在平面为对称面建立两根梁。使用Creo 7.0建立三维模型，并在三维模型中部两梁间内表面制造长12 cm、宽6 mm、深2.5 mm的裂纹。将三维模型导入COMSOL中。

2.2 材料属性及物理场参数设置

本试验探究太阳辐照度、环境温度和风速对内部裂纹区域异常热效应的影响，在求解过程中使用参数化扫描可以在同一模型中对不同参数组合进行计算，便于对比不同参数组合的求解结果。因此在全局定义节点下，将太阳辐照度、环境温度和风速设置为全局参数。

材料库中选择空气定义给叶片内部空腔的空气，大型风力机叶片的GFRP材料参数如表2所示。

表2 风力机叶片GFRP材料参数

选择表面对表面辐射的耦合物理场，包含了固体传热和表面对表面辐射两个物理场。在固体传热物理场节点将叶片壳体和梁设定为固体，内部空气设为气体，设置温度初始值为环境温度，根据国家标准GB/T 8175—2008《设备及管道绝热设计导则》，风速v和对流换热系数h之间的关系可使用公式（1）描述。

即3 m/s、6 m/s和9 m/s对应的对流换热系数为23.12 W/（m2·K）、28.15 W/（m2·K）和32 W/（m2·K），定义于对流换热表面。

在表面对表面辐射物理场节点下将所有暴露在环境中的表面定义为漫反射表面，添加外部辐射源，类型为无限距离，辐射入射方向垂直于包含内部裂纹的表面，辐射强度在全局定义节点下辐照度参数处设置。

2.3 网格划分

由于风力机叶片段体积较大，内部裂纹所占空间较小，二者体积相差极大，使用用户控制网格的方法划分网格。按照“先重点后次要，先内部后外部”的划分原则，首先加密内部裂纹区域的网格，其次内部裂纹区域和正常参考区域的温差区别是由于壳体厚度不同造成的，因此在壳体厚度方向设置足够层数的网格，同时在固体和气体交界面处增加边界层，共产生398 654个四面体单元。

2.4 求解设置

设置仿真总时长60 s，步长为1 s，待求解的自由度数为1 099 900，加上704 923个内部自由度。使用参数化扫描的方式求解，风速已由公式（1）换算为对应的对流换热系数，如图1所示。图2所示为已完成导入模型，参数和材料设置，网格划分和求解设置的模型界面。

图1 参数化扫描设置界面

图2 仿真模型界面

3 仿真结果与分析

取60 s时刻内部裂纹区域中心点和正常参考区域点的温差为试验结果，并将结果分析列于表3中。图3为辐照度为300 W/m2，环境温度为15℃，风速为6 m/s时60 s时刻模型表面温度场。

表3 试验统计及结果

图3 300 W/m2、15℃、6 m/s条件时60 s的模型表面温度场

根据仿真结果计算离差平方和与均方，并计算F值。查临界值F0.05（2，4）=6.94，F0.01（2，4）=18，所以对于给定显著性水平α=0.05，辐照度对温差有着非常显著的影响，风速对温差有显著影响，最后将分析结果列于方差分析表中，如表4所示。

表4 方差分析表

试验结果表明，在10℃至20℃的环境温度中，环境温度对温差的影响可忽略不计。由于试验指标是温差，对于红外热像检测越大越好，且温差随着辐照度增加而增大，所以针对内部裂纹的检测应该选在高辐照度条件检测；温差随着风速增大而减小，选择低风速的条件下执行现场风力机叶片内部损伤的红外热像检测作业。

4 结语

本文以数值模拟的方法，通过设置正交试验，以内部裂纹区域和正常参考区域温差为试验指标，并对试验结果进行方差分析，研究了太阳辐照度、环境温度和风速三种环境因素对风力机叶片内部损伤现场检测的影响。得到了太阳辐照度对温差具有极显著的影响，风速对温差具有显著的影响，10～20℃环境温度条件下，环境温度对检测结果的影响可以忽略。本研究为开展风力机叶片内部损伤的现场检测提供了环境因素的参考，根据研究结果建议检测作业选择高辐照度、低风速的自然条件下进行。