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隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度和重量的增加，葉片的強(qiáng)度要求越來越高。葉片的強(qiáng)度分析主要由載荷獲取和強(qiáng)度計(jì)算兩部分組成。目前氣動(dòng)載荷計(jì)算理論主要有傳統(tǒng)的動(dòng)量葉素理論BEM、條帶理論以及CFD方法等。動(dòng)量葉素理論方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，長(zhǎng)期以來一直是風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的主流方法。CFD方法能夠提供更詳細(xì)的流場(chǎng)信息，但計(jì)算過程較為復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備要求也較高。隨著計(jì)算機(jī)硬件的提升和CFD技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，CFD數(shù)值模擬方法越來越受到重視，在某些算例中，CFD計(jì)算所得的結(jié)果能夠與風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合。但是，目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)力機(jī)相關(guān)研究中，無論是強(qiáng)度分析還是氣彈、疲勞分析，基本都是基于BEM進(jìn)行載荷分析。有鑒于此，本研究提出了一種利用CFD的強(qiáng)度分析途徑，并與采用BEM方法的強(qiáng)度分析結(jié)果進(jìn)行了比較，得出了一些有益的結(jié)論。
選用美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)于2001年進(jìn)行的盲比試驗(yàn)(Blind Comparison)中所采用的風(fēng)輪。風(fēng)輪由兩葉片組成，直徑10.508m。三維葉片由NREL S809翼型基疊得到。關(guān)于葉片的詳細(xì)說明可參考文獻(xiàn)。計(jì)算工況為風(fēng)速10m/s，不考慮偏航。由于本次試驗(yàn)有較詳盡的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因而可以很方便地驗(yàn)證氣動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。文中分別采用BEM和CFD進(jìn)行載荷計(jì)算，然后利用有限元軟件MSC.Nastran對(duì)此葉片強(qiáng)度進(jìn)行分析。通過對(duì)兩種方法計(jì)算得到的葉片表面應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行比較，為今后葉片設(shè)計(jì)尋找更準(zhǔn)確有效的途徑。
從本質(zhì)上講，更加正確的方法是基于N-S方程的求解。但是直接求解N-S方程(DNS)所需分析的時(shí)間太長(zhǎng)。為此人們提出了雷洛平均方法(RAMS)，這是目前最為廣泛的一種分析方法。在這種方法中，流場(chǎng)量被分為統(tǒng)計(jì)平均量和波動(dòng)量?jī)刹糠帧Ｓ捎谟?jì)算方程的非線性，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生新的未知量，從而使方程變得不封閉。為使方程封閉，人們又提出了很多關(guān)聯(lián)這些量的湍流模型，如k模型和Spalart-Allrnaras模型。其中前者為兩方程模型，后者為單方程模型。文獻(xiàn)表明在風(fēng)力機(jī)葉片的計(jì)算中，k模型對(duì)于分離流動(dòng)可以取得更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。
風(fēng)力機(jī)葉片是非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，其強(qiáng)度分析一般采用有限元分析方法。有限元方法是求解一般連續(xù)域問題的工程方法，可適應(yīng)任意復(fù)雜的幾何區(qū)域，能夠處理不同的邊界，是目前復(fù)雜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的最主要方法。
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