Page 86 - 电力与能源2024年第五期

618 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

Mindlin 模型 ［5-7］ ，叶片磨损模型采用 Archard ［6，8］ 磨
损模型。砂砾及叶片的相关材料参数见表 2，耦合
相互作用参数设置见表 3。
表 2 砂砾及叶片材料参数
材料 砂粒 叶片
泊松比 μ 0.3 0.15
密度 ρ/（kg·m ） 2 650 2 000
-3
粒径 r/mm 0.25 —
剪切模量 G/MPa 100 20
图 3 风力机叶片模型 表 3 材料的相互作用
1.4 EDEM 与 FLUENT 耦合原理 项目 颗粒—颗粒 颗粒—叶片
本文砂砾冲蚀风力机叶片模拟为流固耦合 静摩擦系数 K s 0.53 0.5
0.08 0.15
滚动摩擦系数 K r
模拟分析，流固耦合初期主要通过 CFD 软件重 材料恢复系数 e 0.6 0.01
新定义固体项及流体项的密度来实现，然而此种
EDEM 与 FLUENT 的耦合连接界面如图 5
方式无法准确表述固体颗粒的形态和运动状态，
所示，需在入口处设立砂砾颗粒生成源，并在边界
数值计算结果容易造成较大误差。因此本文采
处设置动态颗粒生成源。其中设置砂砾颗粒质量
用 离 散 元 法 ，首 先 通 过 EDEM 软 件 准 确 构 造 风
浓度为 2.30 mg·m ，进口处风沙速率为 14 m·s ，
—3
—1
沙颗粒形态，再通过与 FLUENT 耦合的方式定
并将网格大小设置为最小颗粒半径的 20 倍，时间
义风沙流体运动状态完成数值模拟。这种计算
步长设置为 Rayleigh 时间步长的 35%。
方式不仅能准确描述风沙颗粒的离散项状态，还
更好地还原风力机叶片的实际运行状态，具有较
高的仿真模拟精准度。本文耦合计算流程如图 4
所示。

图 5 EDEM-Fluent 耦合连接界面
2.2 风力机叶片流场域设置划分
为确保数值计算与实际风沙条件相一致，本

文将外流场进口边界与风力机叶片的距离设置为
单叶片长度 R，出口边界与风力机叶片的距离设
图 4 EDEM-FLUENT 耦合计算流程 置为 8R。计算域尺寸如图 6 所示。
为提升耦合数值计算的精度，满足风电工程
2 耦合计算设置
精度要求，本文对叶片表面进行了三层网格细分，
2.1 砂砾模型设置 如图 7 所示，并在整体流域流固边界层进行了局
本 文 砂 砾 间 接 触 模 型 采 用 Hertz-Mindlin 无 部加密处理，加密效果如图 8 所示，整体网格质量
滑 移 模 型 ，砂 砾 冲 击 叶 片 表 面 模 型 采 用 Hertz- 的雅可比比率大于 0.7。