沙尘环境下垂直轴风力机叶片磨蚀特性的数值研究

作     者：徐佳明 南文光 

作者机构：南京工业大学机械与动力工程学院 

出 版 物：《应用力学学报》 (Chinese Journal of Applied Mechanics)

年 卷 期：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(编号:51806099) 

主　　题：风力发电 磨蚀 阵风 脉动风速 离散元 

摘      要：为了解决风力机叶片在运行过程中因沙尘持续冲击而产生磨蚀问题，采用计算流体力学（CFD）和离散元 （DEM）耦合数值模拟的方法来研究风沙颗粒与风力机叶片之间相互作用引起的磨蚀。与基于传统纯CFD的数值模拟方法相比，利用CFD-DEM耦合方法可以准确考虑颗粒与颗粒/风力机叶片之间的相互作用，还可以考虑实际风沙颗粒的真实几何形状。另外，利用大涡模型生成入口脉动风速，可充分考虑实际风沙天气中风速的脉动特征。基于文献中已发表的实验数据，对湍流模型和磨蚀模型计算得到的结果进行了数值验证，进而探讨了入口脉动风湍流强度、颗粒质量浓度、颗粒球形度等参数对叶片磨蚀的影响规律。研究结果表明，随着入口脉动速度湍流强度的增加，平均磨损深度逐渐增加。此外，风沙颗粒质量浓度的增加导致叶片最大和平均磨损深度同时增加。随着颗粒球形度的增加，平均和最大磨损深度都会减小。值得注意的是，当颗粒球形度超过0.7时，随着球形度进一步增加，平均磨损深度呈现出较小的变化，通过计算得到磨蚀率并拟合磨蚀率与颗粒球形度的关系曲线，拟合曲线中磨蚀率与颗粒球形度成近似-1.32的指数关系。通过对不同参数影响下的磨蚀数据进行分析，可以得出风沙颗粒的质量浓度对风力机叶片的磨蚀影响最为重要。仿真结果可为风力机叶片实际过程中的磨蚀预测和预防提供一定的指导依据。