近年来，风力发电技术已经越来越被人们所重视，新型的风力机不断涌现，并被广泛的应用和推广。随着全球风电需要的不断增加，风力机与建筑一体化 结合越来越受到人们的关注[1]。小型风力机与建筑的结合既可以满足人们对可再生能源的需求，又可以为建筑物提供充足的电能，其中的垂直轴风力机占地面积 小，并且可以低风速启动、无噪音运行，比同类型风力发电机效率高出10%～20%[2-4]，安全系数相对较高，而且可以不受风向改变的影响，安装和维护 较简单，因此被广泛应用于城市中。
摘要：为了通过流固耦合分析，探讨风机建筑一体化中垂直轴风力机叶片和主轴的受力情况，结合实际工程，在结构分析软件 ANSYSWorkbench[l1]中运用单向流固耦合的方法分别对风速是10m/s和50m/s时的风机叶片和主轴的静应力进行了计算分析和比较。结 果表明：各种工况下，风力机叶片的最大静应力出现在叶片与主轴连接处，风力发电机叶片和主轴的最大静应力随着风速的增加而变大。静应力最高值远小于材料的 屈服极限，所以静应力不会使风机叶片和主轴结构产生破坏。叶片与主轴的连接处都出现了应力集中现象，为了防止疲劳破坏，可以适当地加厚叶片和主轴连接处的 厚度。
关键词：评机械工程师的答辩论文,垂直轴风力机,风机建筑一体化,流固耦合,静应力,结构分析,主轴,叶片
城市中的风力机主要应用于高楼之间和楼顶区域，而垂直轴风力机因其独特的造型，一般被应用在建筑物顶部，它可以作为一个独立的电源为建筑物提供电能。由于节能减排和发展生态型社会的需求，垂直轴风力机与建筑一体化已经越来越受到人们重视[5]。
本文结合实际工程，在一座高为12m的建筑物顶端安装500W的小型垂直轴风力机，通过数值模拟，分析风力机在正常风速的工作环境下叶片和支架 的整体安全性。研究工作运用流固耦合的原理，首先通过CFD分析分别计算在额定风速和最大安全风速下风机周围流场的风压分布情况，然后利用流固耦合的方法 将风压力载荷精确地加载到风机结构表面，对风机叶片和主轴进行应力结构计算。
1计算原理和方法
1.1紊流模型
紊流是日常生活中最常见的流动类型。其特征是各层流体互相混掺，流体质点作不规则运动，而这种不规则表现为流动参数随时间和空间随机变化，所 以，只能根据这些参数的统计平均值来区别各种紊流流态[6-7]。紊流的基本特征有：不规则性、扩散性、高雷诺数、涡度脉动的三维性、耗散性和连续性。水 轮机流道内的流动大多是紊流，所以需要紊流模型来描述。
本文采用SSTk-ω模型。标准k-ω模型是在考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播等因素而对Wilcoxk-ω模型做的修改[8]。 Wilcoxk-ω模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以适用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。 SSTk-ω模型是标准k-ω模型的一个变形，由Menter[9]在1994年提出，它可以独立于k-ε模型，使得在靠近壁面的自由流中k-ω模型有广 泛的应用范围和精度。
叶片是风机的核心部件，具有复杂的弯扭形状的三维叶片。风机运行时处在高度复杂的流场中，这就导致了其应力分布状况十分复杂。叶片的应力状态是 设计、运行和事故分析中的重要参数，故叶片应力计算的精确与否直接关系到转轮应力分析的准确性[10-11]。由于叶片处在流场中工作，叶片的表面会受到 风压力的作用，风压力从进口边到出口边逐渐变化。
本文采用弱流固耦合的方法对垂直轴风力机叶片和主轴进行了强度分析，计算了叶片和主轴的稳态应力、应变和变形，并对此作了分析。
1.2流固耦合计算
单向流固耦合主要用于流场与固体相互作用后，固体变形不大，就是说流场的边界条件改变较小，不影响流场的分布情况。安装在建筑物顶端的垂直轴风力发电机正好适用于此种分析方法[12]。
主要的计算思路是首先考虑流体对固体的影响，对流体域进行CFD数值模拟，计算出风力发电机结构表面风压载荷，然后将风压载荷加载到风机结构表面[13]，对其加载适当的约束后进行有限元分析。
1.2.1流体运动方程
2.2风机模型与流场模型
利用工程绘图设计软件PRO/E对500W的垂直轴风力机进行建模。模型主要包括风机叶片和主轴。考虑到计算简化和节省资源，适当省略一些工业 设计的细节，有利于最后计算结果的收敛。简化后的风机模型见图2。将模型导入AnsysWorkbench中，并在Geometry模块中为模型设计相应 的流体域。
由于该风机安装的环境周围没有很高的建筑物，并且建筑物分布比较稀疏，所以流场可以简化为立方体型的外流场，保证有足够大的空间。与此同时设置好风机周围的旋转域，此旋转域必须包含一部分叶片和主轴，流场和旋转域的设计见图3。
由于本文的计算模型比较复杂，风机叶片模型是不规则的曲面，所以采用自动网格划分法，将设置好的模型导入到Mesh模块进行网格划分。在本计算 中风机模型与其外部的流场尺寸相差较大，所以在风机模型附近进行了尺寸细化，而在其他区域相对粗化。对旋转域外表面和风机叶片主轴外表面设置size为 100mm，并对叶片设置了边界层网格属性。因为风机形状较为复杂，所以采用四面体网格划分。网格划分共产生270346个四面体单元和89416个节 点，见图3。
2.3流体分析
在Workbench中，一般利用CFX进行流体动力学分析。CFX分析包括3个程序模块：CFX-Pre、CFX-Solver和CFX-Post。即前处理器、求解器和后处理器。
首先，将划分好的Mesh文件导入到CFX-Pre。流体域主要包含外流场域和旋转域，旋转域的角速度采用风机的额定转速150r/min，一 个标准大气压。然后，设置进出口边界条件。把立方体流场的前后两个表面分别设置为进流口和出流口，并设置其他3个面为自由面。然后在进出口上给定相应的湍 流强度。不同于内流场，外流场的湍流强度不能用默认的5%或10%等百分比设置，必须根据来流速度与入口尺寸进行计算得到。需要考虑的边界条件还有地面边 界条件以及风机叶片边界条件和旋转域外表面边界条件。
最后，进行流场计算。流场分析结果见图4（a）、4（b），分别为风速10m/s和50m/s时流场中心面速度分布。
2.4结构分析
将流体分析的结果与结构模型一起导入到静力分析模块中去，并对风机模型进行网格划分，最终产生26227个结点和829289个单元，见图5。
划分好网格之后对风机加载约束，主要是底部的固定约束。由于计算的是风机在工作状态下的受力情况，所以还要加载一个旋转速度150r/min，加载完后就可以进行受力求解。
2.5计算结果输出
在求解器中插入垂直轴风机受的主应力EquivalentStress和总形变TotalDeformation，运行求解器得出结果。图 6（a）为风速10m/s时风机的整体变形量，图6（b）为风速50m/s时风机的整体变形量，图7（a）所示为风速10m/s时风机的应力分布，图 7（b）为风速50m/s时风机的应力分布。
3.2应力结果分析
由图7可以看出，风力机叶片的最大静应力出现在叶片与主轴连接处。这是因为叶片可以看成是一个简支梁，在加载了表面压力载荷的情况下，两个支撑处的应力最大；相反，两端的自由端应力最小。
由表1可以看出，风力发电机叶片和主轴的最大静应力随着风速的增加而变大，这是由于加载在它们表面上的风压力载荷随着风速的增大而增大，但是风机叶片和主轴结构所受的静应力值较小，小于材料的屈服极限200MPa。
风机叶片和主轴结构的最大静应力均远小于材料的屈服强度，所以静应力不会使风机叶片和主轴结构产生破坏。静应力的分布图中风机叶片与主轴的连接 处都出现了应力集中现象，应力集中若周期循环出现则会对结构产生疲劳破坏。为了防止疲劳破坏，需要尽可能减弱应力集中，可以在不影响风场的前提下适当地加 厚叶片和主轴连接处的厚度，以提高其刚度。
参考文献：
[1]邢景棠，周盛.流固耦合的力学概述[J].力学进展，1997，27（1）：19-38.
[2]秦生升.风力发电在建筑中的应用[J].建筑节能，2010，10（3）：44-46.
[3]黄典贵.理想流场中流固耦合作用下叶片的动态特征分析[J].汽轮机技术，1998，40（4）：235-238.
[4]梁权伟，王正伟，方源.考虑流固耦合的混流式水轮机转轮模态分析[J].水力发电学报，2004，23（3）：116-119.
[5]李建锋，刘小兵，王宏伟，等.基于ADINA的混流式水轮机流固耦合分析[J].水力发电，2010，36（4）：67-69.
[6]王征等.流固耦合力学的数值研究方法的发展及软件应用概述[J].机床与液压，2008，36（4）：192-195.
