大型風(fēng)力機(jī)風(fēng)雨結(jié)構(gòu)三場(chǎng)耦合分析

高乾豐，董輝，鄧宗偉，朱志祥，彭文春

(1. 湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭，411105；2. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng)，413000；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；4. 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410014)

大型風(fēng)力機(jī)風(fēng)雨結(jié)構(gòu)三場(chǎng)耦合分析

高乾豐1，董輝1，鄧宗偉2,3，朱志祥2,3，彭文春4

(1. 湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭，411105；2. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng)，413000；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；4. 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410014)

針對(duì)風(fēng)雨共同作用下的風(fēng)力機(jī)，提出風(fēng)?雨?結(jié)構(gòu)三場(chǎng)單向耦合分析方法。將風(fēng)場(chǎng)和雨滴分別視為連續(xù)相和離散相，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)風(fēng)驅(qū)雨過(guò)程進(jìn)行模擬，獲得風(fēng)力機(jī)表面的風(fēng)壓力和雨水撞擊力。將風(fēng)雨荷載網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)力編輯成命令流文件導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)風(fēng)雨場(chǎng)和結(jié)構(gòu)之間的耦合，得到風(fēng)雨共同作用下風(fēng)力機(jī)的受力和變形特性。研究結(jié)果表明：在風(fēng)速v10為7.565 m/s、降雨強(qiáng)度I為50 mm/h的天氣條件下，雨荷載對(duì)風(fēng)力機(jī)整體的受力和變形的影響較小。

多場(chǎng)耦合；風(fēng)雨荷載；水平軸風(fēng)力機(jī)；CFD模擬；離散相模型；有限元

風(fēng)力機(jī)一般安裝在場(chǎng)地開(kāi)闊、四面臨風(fēng)的山郊野外，氣候條件較差，經(jīng)常要遭到強(qiáng)風(fēng)暴雨的襲擊?，F(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)作為一種典型的高聳柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)水平風(fēng)雨荷載反應(yīng)十分敏感，容易產(chǎn)生整體失穩(wěn)、振動(dòng)疲勞損傷和葉片局部破壞等問(wèn)題，因而研究風(fēng)雨共同作用下風(fēng)力機(jī)的受力和變形特性十分重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)雨共同作用于結(jié)構(gòu)物這一現(xiàn)象的研究主要集中在風(fēng)驅(qū)雨量和風(fēng)雨荷載的定量化分析方面[1?6]，而對(duì)結(jié)構(gòu)物風(fēng)雨荷載響應(yīng)的研究還處于摸索階段[7?11]，且多數(shù)是針對(duì)架空輸電線路的研究，如付興等[12]利用模擬的脈動(dòng)風(fēng)速求得風(fēng)荷載時(shí)程并以節(jié)點(diǎn)力施加在塔架上，假設(shè)雨滴水平末速度等于水平平均風(fēng)速，由沖量定理計(jì)算單位面積的雨滴撞擊力，對(duì)風(fēng)雨激勵(lì)下架空輸電線路的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明考慮雨水激勵(lì)后輸電塔及導(dǎo)線的順風(fēng)向位移反應(yīng)增大，在強(qiáng)大暴雨情況下順風(fēng)向位移增大可以達(dá)到15.38%。以上研究所進(jìn)行的部分簡(jiǎn)化和假設(shè)與事實(shí)相差較大，使結(jié)果存在一定的局限性，如：1) 風(fēng)荷載以節(jié)點(diǎn)力施加在若干特征點(diǎn)上，實(shí)際上結(jié)構(gòu)物外表面到處都要受到不均勻的風(fēng)壓力作用；2) 假設(shè)撞擊前雨滴水平速度等于水平風(fēng)速，事實(shí)上雨滴在結(jié)構(gòu)物近壁面的運(yùn)動(dòng)形式十分復(fù)雜，其速度不再等于擾動(dòng)前的風(fēng)速；3) 將雨荷載以均布荷載的形式施加在結(jié)構(gòu)上，然而，實(shí)際雨滴撞擊力的分布是不規(guī)則的。由此可見(jiàn)，雨荷載的計(jì)算方法和風(fēng)雨荷載的施加方式都有待進(jìn)一步改進(jìn)。此外，風(fēng)力機(jī)與輸電塔架雖同屬高聳結(jié)構(gòu)，但風(fēng)力機(jī)所在場(chǎng)地的風(fēng)力通常更強(qiáng)，且目前風(fēng)力機(jī)的主流塔架形式為錐形塔筒，這與輸電塔架在結(jié)構(gòu)形式上存在較大區(qū)別，因此，輸電塔架的研究成果不能對(duì)風(fēng)力機(jī)的抗風(fēng)雨設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。鑒于此，本文作者以2 MW水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)編輯命令流文件將Fluent軟件算得的風(fēng)雨荷載結(jié)果導(dǎo)入Abaqus軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)流體分析和結(jié)構(gòu)分析的耦合，并對(duì)風(fēng)雨共同作用下風(fēng)力機(jī)的受力和變形特性進(jìn)行分析，旨在探討風(fēng)力機(jī)的風(fēng)雨結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算方法，為風(fēng)力機(jī)的抗風(fēng)雨設(shè)計(jì)提供參考。

1　多場(chǎng)耦合分析方法

1.1單向耦合分析原理

多場(chǎng)耦合問(wèn)題(multi-field problems)是指在一個(gè)體系中，因2個(gè)或2個(gè)以上的物理場(chǎng)之間相互作用而發(fā)生的一種現(xiàn)象[13]，它在現(xiàn)實(shí)世界中廣泛存在，如溫度場(chǎng)與力場(chǎng)、電磁場(chǎng)與力場(chǎng)、流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)等之間的耦合。就流體與結(jié)構(gòu)之間的耦合問(wèn)題而言，若結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生的變形非常小，使其對(duì)流體的影響可以忽略，也就是說(shuō)，只有流體分析對(duì)結(jié)構(gòu)分析有單向影響，則這種類型的耦合即為單向耦合[14]。對(duì)風(fēng)雨共同作用下的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行分析將涉及3對(duì)耦合關(guān)系：風(fēng)?雨耦合、風(fēng)?結(jié)構(gòu)耦合和雨?結(jié)構(gòu)耦合。在一般情況下，由于雨滴直徑小，在空氣中的體積占有率低，可忽略雨滴對(duì)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的滯礙作用，同時(shí)，風(fēng)力機(jī)在額定工況下運(yùn)行，也可認(rèn)為風(fēng)力機(jī)變形對(duì)風(fēng)雨場(chǎng)的影響較小，故上述3對(duì)耦合關(guān)系都可視為單向耦合關(guān)系。風(fēng)、雨和結(jié)構(gòu)三場(chǎng)中任意2個(gè)物理場(chǎng)A和B之間的單向耦合問(wèn)題可以用下列方法進(jìn)行求解：首先單獨(dú)求解A場(chǎng)的控制微分方程，然后將A場(chǎng)在AB耦合交界面處的輸出結(jié)果作為B場(chǎng)的邊界條件，最后求解B場(chǎng)的控制微分方程，從而得到A-B單向耦合分析結(jié)果。用數(shù)學(xué)方程組描述如下。

A場(chǎng)的控制微分方程為

A場(chǎng)對(duì)B場(chǎng)的單向耦合作用條件為

B場(chǎng)的控制微分方程為

式中：o和i分別為各場(chǎng)的輸出變量和輸入變量。

1.2風(fēng)雨結(jié)構(gòu)耦合平臺(tái)

利用Fluent軟件和Abaqus軟件分別在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域和工程模擬方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)組成耦合計(jì)算平臺(tái)，達(dá)到風(fēng)、雨和結(jié)構(gòu)之間相互耦合的目的，其技術(shù)路線如圖1所示。

圖1　Fluent-Abaqus聯(lián)合分析方法Fig. 1 Combined analysis method of Fluent and Abaqus

基于Fluent和Abaqus的聯(lián)合分析平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)?雨?結(jié)構(gòu)三場(chǎng)耦合分析的具體步驟為：首先，利用Fluent軟件對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算并達(dá)到收斂，得到作用于風(fēng)力機(jī)表面的風(fēng)壓力；然后，在此基礎(chǔ)上加入雨滴，使雨滴在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下斜向打擊到風(fēng)力機(jī)上，計(jì)算得到雨滴撞擊力；最后，將Fluent軟件計(jì)算得到的風(fēng)力機(jī)表面風(fēng)、雨荷載及對(duì)應(yīng)位置坐標(biāo)導(dǎo)出為inp文件，添加材料屬性、自重和邊界條件等進(jìn)行完善，再導(dǎo)入Abaqus軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行有限元分析，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)?雨?結(jié)構(gòu)三者之間的耦合計(jì)算。

2　雨荷載計(jì)算方法

根據(jù)已有觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)天然雨滴的直徑一般保持在0.1～6.0 mm范圍內(nèi)，且服從馬歇爾?帕爾默譜分布(簡(jiǎn)稱M?P譜)[15]：

式中：n(d)是直徑為d的雨滴數(shù)量；Δ=4.1I?0.21；I為降雨強(qiáng)度，mm/h；N0=8×103個(gè)/(m3·mm)。

依據(jù)式(4)，直徑為d的雨滴在空氣中的體積占有率為

當(dāng)雨滴在空氣中的體積占有率遠(yuǎn)小于10%時(shí)，可用離散相模型(DPM)來(lái)模擬雨滴顆粒，即將空氣視為連續(xù)相，而將散布在空氣中的雨滴看作離散相進(jìn)行分析。雨滴顆粒在流場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：μ為空氣黏滯系數(shù)；U，V和W分別為沿x，y和z方向的速度分量；Re為基于雨滴和空氣相對(duì)速度的雷諾數(shù)；Cd為雨滴阻力系數(shù)；ρw為雨滴密度；m為單個(gè)雨滴質(zhì)量。

雨滴對(duì)結(jié)構(gòu)物的撞擊力可以分為水平撞擊力和豎向撞擊力。由于風(fēng)力機(jī)對(duì)水平作用力更敏感，故本文主要討論水平撞擊力對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的影響。雨滴撞擊到結(jié)構(gòu)物表面的過(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律，若假設(shè)雨滴在與結(jié)構(gòu)物撞擊的過(guò)程中不發(fā)生蒸發(fā)、飛濺和破裂，則據(jù)沖量定理，單個(gè)雨滴對(duì)結(jié)構(gòu)的水平撞擊力為

式中：F為τ時(shí)間內(nèi)單個(gè)雨滴對(duì)結(jié)構(gòu)物的水平撞擊力；f(t)為單個(gè)雨滴對(duì)結(jié)構(gòu)物的水平瞬時(shí)撞擊力；τ為撞擊時(shí)間；vs為雨滴撞擊前的水平末速度。將雨滴視為一直徑為d的標(biāo)準(zhǔn)球體，則其質(zhì)量為m=ρwπd3/6。取碰撞時(shí)間為τ=d/2vs，則式(7)可變?yōu)?/p>

雨滴撞擊到結(jié)構(gòu)物表面時(shí)其分布具有高度的離散性。進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，為了便于施加雨荷載，將離散的雨滴撞擊力等效為沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向分布的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)集中力加以考慮：

式中：P為水平雨荷載等效節(jié)點(diǎn)集中力；n為結(jié)構(gòu)表面一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)收集的雨滴數(shù)量；di為第i顆雨滴的直徑；vsi為第i顆雨滴的水平撞擊速度。

3　三場(chǎng)耦合分析實(shí)例

3.1建立風(fēng)雨場(chǎng)模型

以1個(gè)典型2 MW水平軸風(fēng)力機(jī)為對(duì)象進(jìn)行研究。該風(fēng)力機(jī)輪轂高度為80.0 m，風(fēng)輪直徑為93.0 m，額定風(fēng)速為11.0 m/s，風(fēng)輪與機(jī)艙總質(zhì)量約139.0 t。塔筒為分段變截面鋼筒，塔筒總高為78.0 m，共分3段：底段塔筒高為20.0 m，外直徑為4.4 m，壁厚為30.0～20.0 mm；中段塔筒高為28.0 m，外直徑為4.4～3.8 m，壁厚為20.0～16.0 mm；頂段塔筒高為30.0 m，外直徑為3.8～2.6 m，壁厚為16.0～14.0 mm。由于風(fēng)力機(jī)幾何形狀復(fù)雜，采用Pro/E工程繪圖軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)整機(jī)進(jìn)行建模(包括3葉片、輪轂、機(jī)艙和塔筒的建模)，然后導(dǎo)出stp格式文件與Gambit軟件聯(lián)接進(jìn)行前處理。

選用原點(diǎn)在塔底中心的塔架坐標(biāo)系，其x軸正方向與主風(fēng)向一致。建立長(zhǎng)為2 200 m、寬為200 m和高為400 m的長(zhǎng)方體計(jì)算域，如圖2所示。它包括風(fēng)力機(jī)模型和風(fēng)雨場(chǎng)模型(風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)域和周圍靜止域)，其中風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)域?yàn)榘ㄕ麄€(gè)風(fēng)輪的圓柱體旋轉(zhuǎn)區(qū)域。設(shè)置計(jì)算域進(jìn)口為速度入口(velocity inlet)邊界，出口為出流(outflow)邊界，兩側(cè)壁采用對(duì)稱(symmetry)邊界，風(fēng)力機(jī)表面及計(jì)算域上下面均設(shè)為壁面(wall)邊界，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)域與周圍靜止域的重合面設(shè)為交界面(interface)。

圖2　風(fēng)雨場(chǎng)計(jì)算域Fig. 2 Computational domain of wind-rain field

3.2風(fēng)力機(jī)三場(chǎng)耦合分析

3.2.1風(fēng)雨場(chǎng)CFD模擬

采用分離式求解器，隱式求解三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，流場(chǎng)流速為絕對(duì)速度。空氣采用理想氣體模型模擬，氣體密度為1.225 kg/m3，動(dòng)力黏性系數(shù)為1.79×10?5kg·(m·s)?1，湍流模型選用重整化群RNGk?ε模型，各參數(shù)取默認(rèn)值。計(jì)算域入口采用冪指數(shù)為0.18的風(fēng)廓線模型，將離地面10 m高處的風(fēng)速設(shè)為7.565 m/s(對(duì)應(yīng)輪轂中心高度風(fēng)速為11.0 m/s)，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)域和周圍靜止域之間通過(guò)多重參考坐標(biāo)系(MRF)模型進(jìn)行耦合，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速設(shè)為16.0 r/min。采用SIMPLIC算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力之間的耦合，動(dòng)量選擇二階迎風(fēng)離散格式，最后初始化風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行迭代求解，得到風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪、機(jī)艙和塔筒各表面風(fēng)壓力沿順風(fēng)向的合力分別為181 590.8，428.0和10 989.1 N。圖3所示為風(fēng)力機(jī)表面風(fēng)壓力云圖。從圖3可知：正壓力主要分布在風(fēng)力機(jī)的迎風(fēng)面，而在風(fēng)力機(jī)背風(fēng)面尤其是側(cè)面存在較大的負(fù)壓力(吸力)。

圖3　風(fēng)力機(jī)表面風(fēng)壓力Fig. 3 Wind pressure on surface of wind turbine

考慮一般暴雨天氣，設(shè)降雨強(qiáng)度I=50 mm/h，并用8種直徑的雨滴模擬連續(xù)直徑分布的雨水，則1 m3空氣中各直徑雨滴的數(shù)量可由M?P譜確定，見(jiàn)表1。由表1中的數(shù)據(jù)按式(5)計(jì)算可得：雨滴在空氣中的體積總占有率僅為2.68×10?6，遠(yuǎn)小于10%，可用離散相模型(DPM)進(jìn)行模擬。雨場(chǎng)模擬時(shí)風(fēng)力機(jī)表面和其他壁面邊界均設(shè)為逃逸(escape)，雨滴從計(jì)算域上表面釋放，水平釋放速度取為雨滴所在高處的水平風(fēng)速，豎向釋放速度按經(jīng)驗(yàn)公式[16]確定。在離散相降雨模擬完成之后，可由風(fēng)力機(jī)壁面捕捉到的雨滴信息計(jì)算雨滴對(duì)風(fēng)力機(jī)的水平撞擊作用。得到0.01 s時(shí)距內(nèi)風(fēng)輪水平雨荷載合力為1 143.5 N，塔筒水平雨荷載合力為1 328.6 N，而機(jī)艙水平雨荷載合力幾乎為0 N。圖4所示為塔筒順風(fēng)向水平雨荷載沿塔高的分布。從圖4可知：由于塔筒底部迎風(fēng)面積較大，收集的雨滴較多，故受到的雨水撞擊力較大。而塔頂上空因具有較大的風(fēng)速，雨滴獲得的沖擊速度較大；另外，建模時(shí)塔頂處在2個(gè)葉片之間，氣流因伯努利效應(yīng)在塔頂附近形成了加速區(qū)，亦使該范圍內(nèi)雨滴速度變大，因此，塔頂附近水平雨荷載也較大，而塔筒中部區(qū)域水平雨荷載較小。

表1　雨滴直徑與數(shù)量Table 1 Diameter and number of raindrops

圖4　塔筒順風(fēng)向水平雨荷載分布Fig. 4 Horizontal rain load distribution on windward side of tower

3.2.2結(jié)構(gòu)有限元分析

風(fēng)雨場(chǎng)計(jì)算完成后，將從Fluent軟件中導(dǎo)出的風(fēng)力機(jī)網(wǎng)格及荷載數(shù)據(jù)編輯成inp文件，并導(dǎo)入Abaqus軟件中，實(shí)現(xiàn)Fluent與Abaqus間數(shù)據(jù)的傳遞。將風(fēng)力機(jī)視為單層空心結(jié)構(gòu)，塔筒采用S4R殼單元，風(fēng)輪和機(jī)艙用S3R殼單元模擬，內(nèi)部設(shè)備的重量通過(guò)在相應(yīng)重心處施加質(zhì)量點(diǎn)加以考慮。風(fēng)輪和機(jī)艙為玻璃鋼復(fù)合材料，塔筒為Q345E鋼材，均采用彈性本構(gòu)模型，材料特性見(jiàn)表2。塔筒底部固支，約束6個(gè)方向的自由度。風(fēng)力機(jī)在降雨天氣運(yùn)行時(shí)，受到的荷載主要有自重(風(fēng)輪、機(jī)艙、塔筒及其附屬設(shè)備質(zhì)量)、風(fēng)荷載(風(fēng)輪、機(jī)艙和塔筒水平風(fēng)荷載，風(fēng)輪扭矩和俯仰力矩等)和雨荷載(風(fēng)輪、機(jī)艙和塔筒迎風(fēng)面及背風(fēng)面受到的水平雨水撞擊力)。上述荷載中，結(jié)構(gòu)自重直接在Abaqus里進(jìn)行施加，而風(fēng)荷載(風(fēng)力機(jī)表面各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)沿3個(gè)坐標(biāo)軸方向的集中力)需要先從Fluent軟件中導(dǎo)出，然后在inp文件里通過(guò)*Cload(集中力)命令施加在風(fēng)力機(jī)相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，如圖5(a)所示。水平雨荷載先根據(jù)式(9)計(jì)算得到沿塔筒高度方向和葉片展向分布的等效節(jié)點(diǎn)集中力，如圖5(b)所示。

3.3計(jì)算結(jié)果分析

風(fēng)力機(jī)僅受到自重和風(fēng)荷載作用時(shí)，除塔底因應(yīng)力集中存在應(yīng)力突變外，Mises等效應(yīng)力沿塔筒豎直向上呈先減小后增大的變化，塔頂附近應(yīng)力反而增大，這主要是由于塔頂截面尺寸的減縮快于其內(nèi)力的衰減所致。以63.4 m高度為界，在此高度以下塔筒背風(fēng)面的Mises等效應(yīng)力明顯大于迎風(fēng)面應(yīng)力，在此高度以上塔筒的Mises等效應(yīng)力分布規(guī)律則相反，而塔筒順風(fēng)向位移則始終隨塔筒高度的增加而增大。考慮雨水撞擊力作用后，塔筒Mises等效應(yīng)力和順風(fēng)向位移沿塔高的分布規(guī)律幾乎不變，數(shù)值變化也較小。將不同荷載條件下塔筒Mises等效應(yīng)力和位移的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：塔筒最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在施加風(fēng)荷載之前，為61.01 MPa，最大水平位移出現(xiàn)在施加雨荷載之后，為16.32 cm，由此可見(jiàn)塔筒應(yīng)力和位移的數(shù)值均較小，在允許范圍之內(nèi)。有風(fēng)荷載作用時(shí)塔筒的Mises等效應(yīng)力與只有自重作用時(shí)的等效應(yīng)力相比明顯減小，這是風(fēng)荷載產(chǎn)生的力矩的方向與塔頂自重附加力矩的方向相反，兩者相互抵消使總力矩減小所致。在本文所考慮的風(fēng)雨條件 (風(fēng)速v10=7.565 m/s，降雨強(qiáng)度I=50 mm/h) 下，由于雨荷載相對(duì)于整個(gè)風(fēng)力機(jī)受到的風(fēng)荷載而言非常小，因而其對(duì)風(fēng)力機(jī)整體受力和變形的影響較小。

表2　材料特性Table 2 Material properties

圖5　風(fēng)雨荷載及邊界條件Fig. 5 Wind-rain loads and boundary conditions

4　結(jié)論

1) 用Fluent軟件模擬風(fēng)驅(qū)雨過(guò)程，實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)和雨場(chǎng)之間的耦合，然后將算得的結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)雨網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)力由inp文件導(dǎo)入Abaqus軟件中，實(shí)現(xiàn)風(fēng)?雨?結(jié)構(gòu)三場(chǎng)之間的單向耦合分析。該方法能較簡(jiǎn)單、方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)雨共同作用下結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行計(jì)算。

2) 在額定工況下遭遇一般暴雨襲擊時(shí)，風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)面和背風(fēng)面都將受到雨水的沖擊作用，機(jī)艙受到的水平雨荷載可忽略，而塔筒受到的水平雨荷載與風(fēng)輪水平雨荷載相當(dāng)。塔底因迎風(fēng)面積較大，受到的水平雨荷載最大；塔頂因雨滴獲得的沖擊速度較大，其撞擊力也較大，而中段塔筒受到的水平雨荷載較小。

3) 在風(fēng)雨條件(v10=7.565 m/s，I=50 mm/h)下，風(fēng)力機(jī)塔筒的內(nèi)力和變形較小，均在允許范圍之內(nèi)。由于水平雨荷載相對(duì)于整個(gè)風(fēng)力機(jī)受到的風(fēng)荷載而言非常小，其對(duì)風(fēng)力機(jī)整體的受力和變形的影響較小。強(qiáng)風(fēng)大暴雨(如臺(tái)風(fēng)及其攜帶強(qiáng)降雨)天氣下水平雨荷載對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響還有待進(jìn)一步研究。

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(編輯 陳燦華)

Three-field coupling analysis for large-scale wind turbine with wind-rain-structure

GAO Qianfeng1, DONG Hui1, DENG Zongwei2,3, ZHU Zhixiang2,3, PENG Wenchun4
(1. College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China; 3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 4. Zhongnan Engineering Corporation Limited, Power Construction Corporation of China, Changsha 410014, China)

A one-way coupling analysis method of wind-rain-structure three-field was proposed for wind turbine during the simultaneous action of wind and rain. Taking the wind field and the raindrops considered as the continuous phase and the discrete phase respectively, the process of wind driving rain was simulated by computational fluid dynamics software, and the wind pressure and the raindrop impact force on the wind turbine were obtained. The coupling between the wind-rain field and the structure was realized by importing command stream contained grid nodal forces of wind and rain loads into finite element software, and then the stress and deformation characteristics of the wind turbine during thesimultaneous action of wind and rain were acquired. The results show that the stress and deformation of the whole wind turbine are less influenced by rain load in the weather condition of wind speed v10=7.565 m/s and rainfall intensity I= 50 mm/h.

multi-field coupling; wind and rain loads;horizontal axis wind turbine; CFD simulation; discrete phase model;finite element analysis

TK8

A

1672?7207(2016)03?1011?06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.038

2015?03?10；

2015?05?12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108397)；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013GK3086)；湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14A024)；中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科技項(xiàng)目(YJ2012 2.6) (Project(51108397) supported by the National Natural Science Foundation of China, Project(2013GK3086) supported by the Science and Technology Plan of Hunan Province, Project(14A024) supported by the Key Scientific Research Projects of Education Department of Hunan Province, Project(YJ2012 2.6) supported by the Scientific and Technological Program of Zhongnan Engineering Corporation Limited of Power Construction Corporation of China)

董輝，博士，副教授，從事巖土工程、防災(zāi)工程研究工作； E-mail: aneurin.h.d@gmail.com