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

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

内蒙古工业大学机械工程学院，呼和浩特　010051

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
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出版历程
- 收稿日期: 2021-05-29
- 刊出日期: 2023-05-25

Numerical Simulation of Blade Coating Eroded by Random Aeolian Sand

School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China

摘要

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。
- 数值模拟 /
- 风机叶片 /
- 冲蚀 /
- 有限元分析
Abstract: In order to study the failure mode of the fan blade coating under random sand erosion, numerical simulation is carried out for the blade erosion by random sand erosion. Taking Inner Mongolia as an example, Weibull distribution model for random wind speed is established, and by coupling Fluent with EDEM sand erosion simulation and analysis of fluid-solid coupling surface forms the time course of the FSI dynamic pressure data and the grains of sand shock impact load of blade coating, finally the random load obtained by using finite element method applied to the blade model is analyzed. The results show that the dynamic pressure of FSI on the fluid-solid coupling surface is between 20-140 Pa, and the impact load of sand particles is between 0.4-7.9 N, both of which have significant randomness. The maximum stress response of the blade coating is 2.79 MPa, located near the leading edge of the blade tip and its side.
- numerical simulation /
- fan blades /
- erosion /
- finite element analysis

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图 1 叶片三维模型

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图 2 涂层三维模型

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图 3 内蒙古某大型风电场实测风速

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图 4 威布尔风速模型的概率密度图

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图 5 威布尔风速模型的分布图

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图 6 威布尔风速模型的时间序列图

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图 7 EDEM与Fluent耦合仿真流程

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图 8 流体网格划分

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图 9 入口速度

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图 10 流固耦合面动压

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图 11 随机冲击载荷

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图 12 随机载荷时间历程曲线

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图 13 0.86 s时叶片涂层的应力云图

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表 1 叶片建模参数

截面	截面占位r/R	翼型	攻角 α_i/(°)	入流角 ϕ_i/(°)	安装角 β_i/(°)	弦长 c_i/m
1	0.17	FX77-343	8.5	26.82	18.32	4.12
2	0.42	S818	7.5	12.50	5.00	3.00
3	0.57	S818	7.5	9.40	1.90	2.30
4	0.75	S830	6.0	7.20	1.20	1.74
5	0.95	S831	5.0	5.71	0.71	1.46
6	1.00	S831	5.0	5.42	0.42	1.39

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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/%
1.000	1
0.500	5
0.250	71
0.100	23

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表 4 二氧化硅物性参数

密度/（g·mm⁻³）	泊松比	弹性模量/GPa
2.7	0.25	40

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表 5 聚氨酯涂层物性参数

密度/ （g·mm⁻³）	泊松比	弹性模量/ GPa	屈服强度/ MPa	抗拉强度/ MPa
1.64	0.487	600	11	32

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参考文献(15)

[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)