近年來，風力發電技術已經越來越被人們所重視，新型的風力機不斷涌現，并被廣泛的應用和推廣。隨著全球風電需要的不斷增加，風力機與建筑一體化 結合越來越受到人們的關注[1]。小型風力機與建筑的結合既可以滿足人們對可再生能源的需求，又可以為建筑物提供充足的電能，其中的垂直軸風力機占地面積 小，并且可以低風速啟動、無噪音運行，比同類型風力發電機效率高出10%～20%[2-4]，安全系數相對較高，而且可以不受風向改變的影響，安裝和維護 較簡單，因此被廣泛應用于城市中。

　　摘要：為了通過流固耦合分析，探討風機建筑一體化中垂直軸風力機葉片和主軸的受力情況，結合實際工程，在結構分析軟件 ANSYSWorkbench[l1]中運用單向流固耦合的方法分別對風速是10m/s和50m/s時的風機葉片和主軸的靜應力進行了計算分析和比較。結 果表明：各種工況下，風力機葉片的最大靜應力出現在葉片與主軸連接處，風力發電機葉片和主軸的最大靜應力隨著風速的增加而變大。靜應力最高值遠小于材料的 屈服極限，所以靜應力不會使風機葉片和主軸結構產生破壞。葉片與主軸的連接處都出現了應力集中現象，為了防止疲勞破壞，可以適當地加厚葉片和主軸連接處的 厚度。

　　關鍵詞：評機械工程師的答辯論文,垂直軸風力機,風機建筑一體化,流固耦合,靜應力,結構分析,主軸,葉片

　　城市中的風力機主要應用于高樓之間和樓頂區域，而垂直軸風力機因其獨特的造型，一般被應用在建筑物頂部，它可以作為一個獨立的電源為建筑物提供電能。由于節能減排和發展生態型社會的需求，垂直軸風力機與建筑一體化已經越來越受到人們重視[5]。

　　本文結合實際工程，在一座高為12m的建筑物頂端安裝500W的小型垂直軸風力機，通過數值模擬，分析風力機在正常風速的工作環境下葉片和支架 的整體安全性。研究工作運用流固耦合的原理，首先通過CFD分析分別計算在額定風速和最大安全風速下風機周圍流場的風壓分布情況，然后利用流固耦合的方法 將風壓力載荷精確地加載到風機結構表面，對風機葉片和主軸進行應力結構計算。

　　1計算原理和方法

　　1.1紊流模型

　　紊流是日常生活中最常見的流動類型。其特征是各層流體互相混摻，流體質點作不規則運動，而這種不規則表現為流動參數隨時間和空間隨機變化，所 以，只能根據這些參數的統計平均值來區別各種紊流流態[6-7]。紊流的基本特征有：不規則性、擴散性、高雷諾數、渦度脈動的三維性、耗散性和連續性。水 輪機流道內的流動大多是紊流，所以需要紊流模型來描述。

　　本文采用SSTk-ω模型。標準k-ω模型是在考慮低雷諾數、可壓縮性和剪切流傳播等因素而對Wilcoxk-ω模型做的修改[8]。 Wilcoxk-ω模型預測了自由剪切流傳播速率，像尾流、混合流動、平板繞流、圓柱繞流和放射狀噴射，因而可以適用于墻壁束縛流動和自由剪切流動。 SSTk-ω模型是標準k-ω模型的一個變形，由Menter[9]在1994年提出，它可以獨立于k-ε模型，使得在靠近壁面的自由流中k-ω模型有廣 泛的應用范圍和精度。

　　葉片是風機的核心部件，具有復雜的彎扭形狀的三維葉片。風機運行時處在高度復雜的流場中，這就導致了其應力分布狀況十分復雜。葉片的應力狀態是 設計、運行和事故分析中的重要參數，故葉片應力計算的精確與否直接關系到轉輪應力分析的準確性[10-11]。由于葉片處在流場中工作，葉片的表面會受到 風壓力的作用，風壓力從進口邊到出口邊逐漸變化。

　　本文采用弱流固耦合的方法對垂直軸風力機葉片和主軸進行了強度分析，計算了葉片和主軸的穩態應力、應變和變形，并對此作了分析。

　　1.2流固耦合計算

　　單向流固耦合主要用于流場與固體相互作用后，固體變形不大，就是說流場的邊界條件改變較小，不影響流場的分布情況。安裝在建筑物頂端的垂直軸風力發電機正好適用于此種分析方法[12]。

　　主要的計算思路是首先考慮流體對固體的影響，對流體域進行CFD數值模擬，計算出風力發電機結構表面風壓載荷，然后將風壓載荷加載到風機結構表面[13]，對其加載適當的約束后進行有限元分析。

　　1.2.1流體運動方程

　　2.2風機模型與流場模型

　　利用工程繪圖設計軟件PRO/E對500W的垂直軸風力機進行建模。模型主要包括風機葉片和主軸。考慮到計算簡化和節省資源，適當省略一些工業 設計的細節，有利于最后計算結果的收斂。簡化后的風機模型見圖2。將模型導入AnsysWorkbench中，并在Geometry模塊中為模型設計相應 的流體域。

　　由于該風機安裝的環境周圍沒有很高的建筑物，并且建筑物分布比較稀疏，所以流場可以簡化為立方體型的外流場，保證有足夠大的空間。與此同時設置好風機周圍的旋轉域，此旋轉域必須包含一部分葉片和主軸，流場和旋轉域的設計見圖3。

　　由于本文的計算模型比較復雜，風機葉片模型是不規則的曲面，所以采用自動網格劃分法，將設置好的模型導入到Mesh模塊進行網格劃分。在本計算 中風機模型與其外部的流場尺寸相差較大，所以在風機模型附近進行了尺寸細化，而在其他區域相對粗化。對旋轉域外表面和風機葉片主軸外表面設置size為 100mm，并對葉片設置了邊界層網格屬性。因為風機形狀較為復雜，所以采用四面體網格劃分。網格劃分共產生270346個四面體單元和89416個節 點，見圖3。

　　2.3流體分析

　　在Workbench中，一般利用CFX進行流體動力學分析。CFX分析包括3個程序模塊：CFX-Pre、CFX-Solver和CFX-Post。即前處理器、求解器和后處理器。

　　首先，將劃分好的Mesh文件導入到CFX-Pre。流體域主要包含外流場域和旋轉域，旋轉域的角速度采用風機的額定轉速150r/min，一 個標準大氣壓。然后，設置進出口邊界條件。把立方體流場的前后兩個表面分別設置為進流口和出流口，并設置其他3個面為自由面。然后在進出口上給定相應的湍 流強度。不同于內流場，外流場的湍流強度不能用默認的5%或10%等百分比設置，必須根據來流速度與入口尺寸進行計算得到。需要考慮的邊界條件還有地面邊 界條件以及風機葉片邊界條件和旋轉域外表面邊界條件。

　　最后，進行流場計算。流場分析結果見圖4（a）、4（b），分別為風速10m/s和50m/s時流場中心面速度分布。

　　2.4結構分析

　　將流體分析的結果與結構模型一起導入到靜力分析模塊中去，并對風機模型進行網格劃分，最終產生26227個結點和829289個單元，見圖5。

　　劃分好網格之后對風機加載約束，主要是底部的固定約束。由于計算的是風機在工作狀態下的受力情況，所以還要加載一個旋轉速度150r/min，加載完后就可以進行受力求解。

　　2.5計算結果輸出

　　在求解器中插入垂直軸風機受的主應力EquivalentStress和總形變TotalDeformation，運行求解器得出結果。圖 6（a）為風速10m/s時風機的整體變形量，圖6（b）為風速50m/s時風機的整體變形量，圖7（a）所示為風速10m/s時風機的應力分布，圖 7（b）為風速50m/s時風機的應力分布。

　　3.2應力結果分析

　　由圖7可以看出，風力機葉片的最大靜應力出現在葉片與主軸連接處。這是因為葉片可以看成是一個簡支梁，在加載了表面壓力載荷的情況下，兩個支撐處的應力最大；相反，兩端的自由端應力最小。

　　由表1可以看出，風力發電機葉片和主軸的最大靜應力隨著風速的增加而變大，這是由于加載在它們表面上的風壓力載荷隨著風速的增大而增大，但是風機葉片和主軸結構所受的靜應力值較小，小于材料的屈服極限200MPa。

　　風機葉片和主軸結構的最大靜應力均遠小于材料的屈服強度，所以靜應力不會使風機葉片和主軸結構產生破壞。靜應力的分布圖中風機葉片與主軸的連接 處都出現了應力集中現象，應力集中若周期循環出現則會對結構產生疲勞破壞。為了防止疲勞破壞，需要盡可能減弱應力集中，可以在不影響風場的前提下適當地加 厚葉片和主軸連接處的厚度，以提高其剛度。

　　參考文獻：

　　[1]邢景棠，周盛.流固耦合的力學概述[J].力學進展，1997，27（1）：19-38.

　　[2]秦生升.風力發電在建筑中的應用[J].建筑節能，2010，10（3）：44-46.

　　[3]黃典貴.理想流場中流固耦合作用下葉片的動態特征分析[J].汽輪機技術，1998，40（4）：235-238.

　　[4]梁權偉，王正偉，方源.考慮流固耦合的混流式水輪機轉輪模態分析[J].水力發電學報，2004，23（3）：116-119.

　　[5]李建鋒，劉小兵，王宏偉，等.基于ADINA的混流式水輪機流固耦合分析[J].水力發電，2010，36（4）：67-69.

　　[6]王征等.流固耦合力學的數值研究方法的發展及軟件應用概述[J].機床與液壓，2008，36（4）：192-195.