风沙环境下风速对风力机叶片冲蚀磨损的数值模拟

2021-02-02张丽新唐美玲

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2021年1期

张丽新，盛伟，唐美玲

（沈阳工程学院a.研究生部；b.发展规划处，c.能源与动力学院，辽宁沈阳 110136）

水平轴风力发电机具有风能转换效率高和转动轴较短的优点，目前已成为风电发展的主流机型。在风沙环境下，由于气体和固体颗粒所受惯性力的不同，固体颗粒会对风机叶片进行碰撞而造成磨损，缩短其使用寿命，减小发电量。叶片的磨损情况受叶片材料的物理性能和机械性能，颗粒入射速度和角度，颗粒浓度、硬度和形状等方面的影响。

风力发电机的风机叶片是关键部件，进行风洞实验花费较高［1-2］，所以近年来关于风力发电机的实验多采用数值模拟的方法［3-4］。针对叶片的冲蚀，余冬、康师源、董晓锋［5-8］等对冲蚀角度、粒径和冲蚀速度进行了相关研究。颜鲁薪［9］等设计了变桨控制的叶片，可由风沙的大小和风向来调节角度，进而减小风沙对叶片的影响。舒冠华［10］采用多相流冲刷试验机，进行了气固两相、气液固三相实验，并分析了材料冲刷磨损机理。本文以风机叶片为研究对象，借助FLUENT研究颗粒在风速变化的条件下对风机叶片造成的磨损影响。

1 计算模型的建立

1.1 实体模型

首先，获取叶素离散点的空间坐标，并将数据保存。在solidworks中插入曲线，经过放样、阵列得到风机叶片［11］。建好的水平轴风机叶片模型如图1所示。

图1 建好的模型风机叶片

将建好的风轮叶片模型导入到Design Modeler，建立流场，将整个流场的计算区域分为圆柱形旋转区域和静止的矩形外部区域，如图2所示。

图2 整个流场

为了减少计算资源的耗费，提高计算精度，在划分网格时进行了加密处理。对旋转域、叶片、叶片附近都做了网格加密处理。划分的结果如图3和图4所示。

图3 网格划分

图4 网格切面

1.2 两相流参数

连续相为空气，密度为1.225 kg/m3；颗粒相为沙粒，粒径直径为0.5 mm，密度为2 650 kg/m3，浓度为1 000 mg/m3。因为颗粒相的体积分数小于12%，符合离散相的使用条件，粒子间的平均间距很大，所以本文采用离散相模型。利用雷诺时均N-S方程和标准湍流模型，结合SIMPLE算法，对连续相流场进行模拟。

1.3 模拟条件

由于三维数值模拟叶片的侵蚀行为较为复杂，需要考虑流体间、颗粒间、流体与颗粒以及颗粒与叶片的相互影响。所以本文做了如下假设：

1）将颗粒相作为稀相处理，即认为颗粒相是不影响气相流动的，不考虑颗粒相之间的相互碰撞，主要研究颗粒相对叶片的冲蚀；

2）认定颗粒相主要受到重力、浮力和流体的作用力，忽略其余作用力；

3）在计算磨损率时，磨损是均匀地分布在计算单元上的。

1.4 边界条件

旋转域是随着叶片转动而转动的，旋转的速度即是叶轮旋转转速，单位为15 r/min。进口为速度入口，出口为压力出口。旋转域与静止域的交界面用interface处理，其他壁面采用wall。

连续相入口速度分别设置为12 m/s、17 m/s 和22 m/s，叶轮设置为旋转壁面，离散相直径为0.5 mm，叶片处离散边界类型设为反射边界条件，其余壁面条件都为逃逸边界条件。

1.5 颗粒磨损计算方法

为了研究颗粒对叶片造成的冲蚀磨损规律，颗粒侵蚀可以在壁面的边界进行监测。侵蚀率定义为

式中，c(dp)为颗粒直径函数；f(γ)为入射角函数；b(v)为冲击速度的函数；v为颗粒速度；Aface为壁面的单元表面积为粒子质量；Nparticles为在单位时间内撞击壁面的颗粒总个数。

2 计算结果及分析

2.1 叶片表面特征分析

图5 速度云

图5 为来流风速为12 m/s 时叶片的速度云图。由图5 可知，叶尖处的速度最大，速度沿着叶尖到叶根的方向逐渐减小，出现速度梯度。由于叶尖到叶根的速度变化，撞击到叶片的沙粒的速度梯度也有同样变化。

图6 为来流风速分别为12 m/s、17 m/s 和22 m/s 叶片表面的动压图。由图6 可知，在叶尖偏前缘处所受到的压力最大，叶根处受到的压力最小，压力在叶尖到叶根的方向上呈递减趋势。随着来流风速的增大，叶片所受到的动压力也会相应增大，但只是数值大小发生变化，动压力梯度变化趋势不变。由此可知，在颗粒对叶片造成冲蚀磨损的过程中，叶尖及前缘是会受到较为严重的磨损的，叶根处受到的磨损最小。

图6 动压

2.2 冲蚀磨损云图分析

图7 为来流风速分别为12 m/s、17 m/s 和22 m/s时的叶片冲蚀磨损云图。由于叶片表面受到磨损导致叶轮旋转不平衡，3 个叶片的磨损程度会有所差异，但磨损的总体趋势近似相同。从叶根至叶尖都受到了不同程度的磨损，叶尖的磨损最为严重。随着来流风速的增大，冲蚀磨损率也会有所增大，但是磨损的部位基本没有发生较大变化。