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随机风沙冲蚀叶片涂层的数值模拟研究

刘士毅 岑海堂 刘光友

刘士毅,岑海堂,刘光友. 随机风沙冲蚀叶片涂层的数值模拟研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(5):808-813 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200622
引用本文: 刘士毅,岑海堂,刘光友. 随机风沙冲蚀叶片涂层的数值模拟研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(5):808-813 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200622
LIU Shiyi, CEN Haitang, LIU Guangyou. Numerical Simulation of Blade Coating Eroded by Random Aeolian Sand[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(5): 808-813. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200622
Citation: LIU Shiyi, CEN Haitang, LIU Guangyou. Numerical Simulation of Blade Coating Eroded by Random Aeolian Sand[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(5): 808-813. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200622

随机风沙冲蚀叶片涂层的数值模拟研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200622
详细信息
    作者简介:

    刘士毅(1997−),硕士研究生,研究方向为农业机械设计及可靠性分析,1411143181@qq.com

    通讯作者:

    岑海堂,教授,硕士生导师,1054949591@qq.com

  • 中图分类号: TK83

Numerical Simulation of Blade Coating Eroded by Random Aeolian Sand

  • 摘要: 为了研究风机叶片涂层在随机风沙下的失效形式,本文对随机风沙冲蚀叶片进行数值模拟。以内蒙古为例,利用威布尔分布模型建立随机风速模型,并通过EDEM与Fluent耦合进行风沙冲蚀仿真,分析流固耦合面FSI动态压力的时间历程数据以及沙粒冲击叶片涂层的冲击载荷,最后利用有限元方法将所得的随机载荷施加到叶片模型进行分析。结果显示:知流固耦合面FSI的动压介于20~140 Pa之间,沙粒的冲击载荷介于0.4~7.9 N之间,均具有显著的随机性,叶片涂层的最大应力响应为2.79 MPa,位于叶片尖端前缘及其侧面附近。
  • 图  1  叶片三维模型

    图  2  涂层三维模型

    图  3  内蒙古某大型风电场实测风速

    图  4  威布尔风速模型的概率密度图

    图  5  威布尔风速模型的分布图

    图  6  威布尔风速模型的时间序列图

    图  7  EDEM与Fluent耦合仿真流程

    图  8  流体网格划分

    图  9  入口速度

    图  10  流固耦合面动压

    图  11  随机冲击载荷

    图  12  随机载荷时间历程曲线

    图  13  0.86 s时叶片涂层的应力云图

    表  1  叶片建模参数

    截面截面占
    r/R
    翼型攻角
    αi/(°)
    入流角
    ϕi/(°)
    安装角
    βi/(°)
    弦长
    ci/m
    10.17FX77-3438.526.8218.324.12
    20.42S8187.512.505.003.00
    30.57S8187.59.401.902.30
    40.75S8306.07.201.201.74
    50.95S8315.05.710.711.46
    61.00S8315.05.420.421.39
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    表  2  库布齐沙漠沙粒粒径分布及其含量分布

    沙粒直径/mm含量/%
    > 0.500 0 ~ 1.34
    0.500 ~ 0.250 2.54 ~ 4.83
    0.250 ~ 0.100 55.34 ~ 71.28
    0.100 ~ 0.074 16.66 ~ 23.08
    < 0.074 6.69 ~ 11.93
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    表  3  沙粒粒径分布及含量分布

    沙粒直径/mm含量/%
    1.0001
    0.5005
    0.25071
    0.10023
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    表  4  二氧化硅物性参数

    密度/(g·mm3泊松比弹性模量/GPa
    2.70.2540
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    表  5  聚氨酯涂层物性参数

    密度/
    (g·mm3
    泊松比弹性模量/
    GPa
    屈服强度/
    MPa
    抗拉强度/
    MPa
    1.640.4876001132
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  • [1] 郑广芬, 冯建民, 赵光平, 等. 中国西北地区东部沙尘暴区划研究[J]. 自然资源学报, 2010, 25(10): 1676-1688. doi: 10.11849/zrzyxb.2010.10.006

    ZHENG G F, FENG J M, ZHAO G P, et al. Study on sandstorm climatic regionalization in eastern part of northwest China[J]. Journal of Natural Resources, 2010, 25(10): 1676-1688. (in Chinese) doi: 10.11849/zrzyxb.2010.10.006
    [2] 崔瀚文, 姜琦刚, 邢宇, 等. 32a来气候扰动下中国沙质荒漠化动态变化[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2013, 43(2): 582-591. doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.2013.02.010

    CUI H W, JIANG Q G, XING Y, et al. Dynamics of sandy desertification under climate disturbance in China from 1975 to 2007[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2013, 43(2): 582-591. (in Chinese) doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.2013.02.010
    [3] DUAN H C, WANG T, XUE X, et al. Dynamic monitoring of Aeolian desertification based on multiple indicators in Horqin Sandy Land, China[J]. Science of the Total Environment, 2019, 650: 2374-2388. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.09.374
    [4] 王晓, 王华进, 赵薇, 等. 风电叶片涂料用树脂研究进展[J]. 表面技术, 2016, 45(6): 28-35.

    WANG X, WANG H J, ZHAO W, et al. Research progress in resins for wind turbine blades coatings[J]. Surface Technology, 2016, 45(6): 28-35. (in Chinese)
    [5] WANG Y, HU R F, ZHENG X J. Aerodynamic analysis of an airfoil with leading edge pitting erosion[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2017, 139(6): 061002. doi: 10.1115/1.4037380
    [6] EISENBERG D, LAUSTSEN S, STEGE J. Wind turbine blade coating leading edge rain erosion model: Development and validation[J]. Wind Energy, 2018, 21(10): 942-951. doi: 10.1002/we.2200
    [7] KEEGAN M H. Wind Turbine Blade Leading Edge Erosion: An investigation of rain droplet and hailstone impact induced damage mechanisms[D]. Glasgow: University of Strathclyde, 2014
    [8] 张永, 黄超, 刘召, 等. 挟沙风作用下风力机叶片涂层冲蚀特性研究[J]. 材料导报, 2016, 30(10): 95-99. doi: 10.11896/j.issn.1005-023X.2016.10.022

    ZANG Y, HUANG C, LIU Z, et al. Research on erosion properties of wind turbine blade coating under the wind-carrying action[J]. Materials Review, 2016, 30(10): 95-99. (in Chinese) doi: 10.11896/j.issn.1005-023X.2016.10.022
    [9] 徐伟胜, 何光宇, 蔡振兵, 等. 硬质颗粒重复冲击TiN/Ti涂层损伤分析[J]. 中国表面工程, 2017, 30(5): 28-35. doi: 10.11933/j.issn.1007-9289.20170406003

    XU W S, HE G Y, CAI Z B, et al. Damage analysis of TiN/Ti coatings under cycling impact with hard particles[J]. China Surface Engineering, 2017, 30(5): 28-35. (in Chinese) doi: 10.11933/j.issn.1007-9289.20170406003
    [10] 戴丽萍, 姚世刚, 王晓东, 等. 含沙气流对风力机叶片冲蚀性能影响的数值模拟研究[J]. 太阳能学报, 2018, 39(1): 247-252.

    DAI L P, YAO S G, WANG X D, et al. Numerical investigation of wind turbine blades erosion characteristics impacted by air flow containing sand particles[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39(1): 247-252. (in Chinese)
    [11] 龚伟俊, 李为相, 张广明. 基于威布尔分布的风速概率分布参数估计方法[J]. 可再生能源, 2011, 29(6): 20-23. doi: 10.3969/j.issn.1671-5292.2011.06.005

    GONG W J, LI W X, ZHANG G M. The estimation algorithm on the probabilistic distribution parameters of wind speed based on weibull distribution[J]. Renewable Energy Resources, 2011, 29(6): 20-23. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-5292.2011.06.005
    [12] 刘厚钧. 聚氨酯弹性体手册[M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2012: 143

    LIU H J. Handbook of polyurethane elastomers[M]. 2nd ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2012: 143. (in Chinese)
    [13] 李德顺, 王亚娥, 郭兴铎, 等. 沙粒形状对风力机翼型磨损特性及临界颗粒Stokes数的影响[J]. 农业工程学报, 2019, 35(12): 224-231. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.027

    LI D S, WANG Y E, GUO X D, et al. Effects of particle shape on erosion characteristic and critical particle Stokes number of wind turbine airfoil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2019, 35(12): 224-231. (in Chinese) doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.027
    [14] 王圣昆, 刘明光, 李光泽, 等. 计及风沙流影响的接触线振动响应研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2018, 15(9): 2335-2342. doi: 10.19713/j.cnki.43-1423/u.2018.09.021

    WANG S K, LIU M G, LI G Z, et al. Study on vibration responses of contact wire with the impact of wind sand flow[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018, 15(9): 2335-2342. (in Chinese) doi: 10.19713/j.cnki.43-1423/u.2018.09.021
    [15] 朱红钧, 林元华, 谢龙汉. FLUENT流体分析及仿真实用教程[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2010: 14-15

    ZHU H J, LIN Y H, XIE L H. FLUENT fluid analysis and simulation practical tutorial[M]. Beijing: People's Posts and Telecommunications Press, 2010: 14-15. (in Chinese)
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  • 收稿日期:  2021-05-29
  • 刊出日期:  2023-05-25

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