Page 85 - 电力与能源2024年第五期

吴世玮，等：基于 EDEM-FLUENT 耦合仿真的风沙工况下风力机叶片侵蚀特性研究 617

计算与理论分析相结合的方式，阐述了风沙颗粒 mV sin θ( 1 - e p 2 )
2
2
2
h = （7）
度大小对叶片表面应力分布的影响。文献［3］采 πdH
用计算流体力学（CFD）的方法分析了叶片前缘冲
蚀损伤与输出性能的相关性。文献［4］采用冲蚀
试验方法研究了风力机叶片前缘保护涂层的冲击
磨损。本文基于 EDEM 与 FLUENT 的耦合计算

方法，在不同攻角下模拟分析不同砂砾及风沙工
况下的风力机叶片磨损特性，旨在为叶片在风沙
图 1 砂砾冲击叶片表面夹角示意
工况下抗侵蚀研究以及风力机控制逻辑优化提供
工程参考。 由理论分析式（7）可知，砂砾冲蚀深度与 θ 正
相关，而 θ 与攻角 α 成正比。所以通过控制攻角 α，
1 叶片冲蚀模拟数值模型
可以有效控制砂砾的侵蚀程度。
1.1 砂砾冲蚀叶片理论基础 1.2 砂砾建模

1 m (V sin θ) 2 基于实际风沙工况，自然环境中的砂砾形态
E i = （1）
2 主要有 3 种，分别为球形砂砾、三角形砂砾和体形
1 m (Ve p sin θ) 2
E r = （2）
2 砂砾。在本文 EDEM 建模中，将不同形态的砂砾
式中 E i ， E r —— 砂 砾 冲 击 叶 片 时 的 冲 击 动 能 进行球形几何体组合处理，即将球形砂砾视为单
和 回 弹 动 能 ； m—— 砂 砾 质 量 ；V—— 冲 击 速 个球体；将三角形砂砾视为 3 个球体组合，将体形

度 ； θ——砂砾冲击叶片表面法向夹角（如图 1 所
砂砾视为 8 个球体组合，如图 2 所示。
示）； e p——砂砾回弹系数。
理论研究表明，回弹系数与砂砾的接触面法
向冲击速度 V a、接触应力 p y、材料密度 ρ a 等参数
相关，如下式所示：

1. 7( ) 5 8
e p = 1 p y 1 1 （3） 图 2 砂砾建模
( ) ( ) ( ) 2 1.3 风力机叶片建模
E
∗
8
4
V a
ρ a
1 1 - υ a 2 1 - υ w 2 本文以新疆地区风电场较常装备的 5 MW 风
= + （4）
E ∗ E a E w
力机叶片 NACA4412 作为算例，进行风力机叶片
式中 E a， E w——砂砾与叶片的弹性模量； υ a， υ w
参数化建模。首先提取叶片各界面参数（见表 1）
——砂砾与叶片的泊松比。
然后通过坐标变换转换为三维坐标，进而通过 3D
由能量定理 W = E i - E r，可得到下式
建模软件生成翼形参数化曲线完成初步建模，最
1
W = E i - E r = Fh （5）
2 后通过二次样条放样处理形成叶片 3D 模型，如图
式中 F——冲击力； h——冲蚀深度。 3 所示。
其中，冲击力 F 计算公式如下：
表 1 风力机叶片截面参数
F =(πdh) H （6） 截面 叶高 弦长 扭角 气动中心
式 中 H—— 表 面 材 料 的 布 氏 硬 度 ；d—— 砂 砾 1 2.866 7 3.528 0 0.50
2 5.600 0 3.854 0 0.44
直径。
… … … … …
将 式（1）~ 式（6）联 立 ，推 出 砂 砾 冲 蚀 叶 片
16 58.900 0 2.086 0.521 5 0.25
深度 h： 17 60.460 0 1.419 0.216 4 0.25