收稿日期：2020-10-09
基金项目：辽宁省重点研发计划指导项目（2018220015）作者简介：张丽新（1995-），女，内蒙古赤峰人，硕士研究生。
张丽新a ，盛
伟b ，唐美玲c
（沈阳工程学院a.研究生部；b.发展规划处，c.能源与动力学院，辽宁沈阳110136）摘
要：针对水平轴风力发电机叶片的冲蚀磨损问题，利用FLUENT 中的离散相模型，以风速
作为影响因素，对叶片冲蚀率的分布进行了数值模拟。结果表明，风速增大，导致叶片磨损率增大，叶片中部和叶尖都有明显磨损，且叶尖处磨损最为严重，模拟计算值与实验结果吻合，验证了该数学模型和计算方法的正确性。关键词：挟沙风；风力机；离散相模型；冲蚀磨损中图分类号：TK83
文献标识码：A
文章编号：1673-1603（2021）01-0005-04
DOI ：10.13888/jki.jsie （ns ）.2021.01.002
第17卷第1期2021年1月Vol.17No.1Jan.2021
沈阳工程学院学报（自然科学版）
Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）
水平轴风力发电机具有风能转换效率高和转动轴较短的优点，目前已成为风电发展的主流机型。在风沙环境下，由于气体和固体颗粒所受惯性力的不同，固体颗粒会对风机叶片进行碰撞而造成磨损，缩短其使用寿命，减小发电量。叶片的磨损情况受叶片材料的物理性能和机械性能，颗粒入射速度和角度，颗粒浓度、硬度和形状等方面的影响。水样女人
风力发电机的风机叶片是关键部件，进行风洞实验花费较高［1-2］，所以近年来关于风力发电机的实验多采用数值模拟的方法［3-4］。针对叶片的冲蚀，余冬、康师源、董晓锋［5-8］等对冲蚀角度、粒径和冲蚀速度进行了相关研究。颜鲁薪［9］等设计了变桨控制的叶片，可由风沙的大小和风向来调节角度，进而减小风沙对叶片的影响。舒冠华［10］采用多相流冲刷试验机，进行了气固两相、气液固三相实验，并分析了材料冲刷磨损机理。本文以风机叶片为研究对象，借助FLUENT 研究颗粒在
风速变化的
条件下对风机叶片造成的磨损影响。
1
计算模型的建立
1.1
实体模型
首先，获取叶素离散点的空间坐标，并将数据保
存。在solidworks 中插入曲线，经过放样、阵列得到
风机叶片［11］
。建好的水平轴风机叶片模型如图1
所示。
图1建好的模型风机叶片
杨淑荣第17卷
沈阳工程学院学报（自然科学版）将建好的风轮叶片模型导入到Design Modeler ，建立流场，将整个流场的计算区域分为圆柱形旋转区域和静止的矩形外部区域，如图2
所示。
图2整个流场
荀子的思想为了减少计算资源的耗费，提高计算精度，在划分网格时进行了加密处理。对旋转域、叶片、叶片附近都做了网格加密处理。划分的结果如图3和图4
所示。
图3
网格划分
图4网格切面
1.2两相流参数
连续相为空气，密度为1.225kg/m 3；颗粒相为
沙粒，粒径直径为0.5mm ，密度为2650kg/m 3，浓度
马蒂斯剪纸为1000mg /m 3。因为颗粒相的体积分数小于12%，符合离散相的使用条件，粒子间的平均间距很大，所以本文采用离散相模型。利用雷诺时均N-S 方程和标准湍流模型，结合SIMPLE 算法，对连续相流场进行模拟。1.3
模拟条件
由于三维数值模拟叶片的侵蚀行为较为复杂，需要考虑流体间、颗粒间、流体与颗粒以及颗粒与叶片的相互影响。所以本文做了如下假设：
1）将颗粒相作为稀相处理，即认为颗粒相是不
影响气相流动的，不考虑颗粒相之间的相互碰撞，主要研究颗粒相对叶片的冲蚀；
2）认定颗粒相主要受到重力、浮力和流体的作用力，忽略其余作用力；
3）在计算磨损率时，磨损是均匀地分布在计算单元上的。1.4
边界条件
旋转域是随着叶片转动而转动的，旋转的速度即是叶轮旋转转速，单位为15r/min 。进口为速度入口，出口为压力出口。旋转域与静止域的交界面用interface 处理，其他壁面采用wall 。
连续相入口速度分别设置为12m/s 、17m/s 和
22m/s ，叶轮设置为旋转壁面，离散相直径为0.5mm ，叶片处离散边界类型设为反射边界条件，其余壁面条件都为逃逸边界条件。1.5
颗粒磨损计算方法
为了研究颗粒对叶片造成的冲蚀磨损规律，颗粒侵蚀可以在壁面的边界进行监测。侵蚀率定义为
R erosion =∑p =1
N particles
m
p c ()d p f ()γv b ()v A face
（1）
式中，c ()d p 为颗粒直径函数；f ()γ为入射角函数；b ()v 为冲击速度的函数；v 为颗粒速度；A face 为壁面的单元表面积；
m p 为粒子质量；N particles 为在单位时间内撞击壁面的颗粒总个数。
·
·6
第1期张丽新，等：风沙环境下风速对风力机叶片冲蚀磨损的数值模拟
2
计算结果及分析
2.1
叶片表面特征分析
图5速度云
图5为来流风速为12m/s 时叶片的速度云图。
由图5可知，叶尖处的速度最大，速度沿着叶尖到叶根的方向逐渐减小，出现速度梯度。由于叶尖到叶根的速度变化，撞击到叶片的沙粒的速度梯度也有同样变化。
图6为来流风速分别为12m/s 、17m/s 和22m/s 叶片表面的动压图。由图6可知，在叶尖偏前缘处所受到的压力最大，叶根处受到的压力最小，压力在叶尖到叶根的方向上呈递减趋势。随着来流风速的增大，叶片所受到的动压力也会相应增大，但只是数值大小发生变化，动压力梯度变化趋势不变。由此可知，在颗粒对叶片造成冲蚀磨损的过程
中，叶尖及前缘是会受到较为严重的磨损的，叶根
处受到的磨损最小。
a 12m/s
b 17m/s
c 22m/s
图6
动压
HOUSE OF SAND AND FOG2.2冲蚀磨损云图分析
图7为来流风速分别为12m/s 、17m/s 和22m/
s 时的叶片冲蚀磨损云图。由于叶片表面受到磨损导致叶轮旋转不平衡，3个叶片的磨损程度会有所
差异，但磨损的总体趋势近似相同。从叶根至叶尖都受到了不同程度的磨损，叶尖的磨损最为严重。随着来流风速的增大，冲蚀磨损率也会有所增大，
但是磨损的部位基本没有发生较大变化。
a 12m/s
b 17m/s
c 22m/s
图7
冲蚀磨损
·
·7
第17卷
沈阳工程学院学报（自然科学版）3结论
1）通过对风机叶片在不同风速下的模拟分析可知，随着风速的增大，叶轮表面的压力增大，从叶尖到叶根的表面动压力依次减小。由于沙粒冲击叶片不同部位且速度不同，导致叶片磨损率会增加，叶片中部和叶尖都有明显磨损，其中叶尖处磨损最为严重。
2）将计算模拟值与文献［12］中的实验结果进行比较，计算值与实验值吻合，所以该数学模型和计
算方法可用来预测风机叶片在挟风沙的流场中的叶片磨损。
3）叶片在风沙中的磨损趋势为叶片前缘、叶尖和叶片中部磨损比较严重，可在这类区域采用硬度和韧性都比较大的涂层材料涂装。
本文虽然模拟出了风机叶片较容易受到磨损的区域，但实际的情况是叶片根部、前缘、中部、叶尖受到的磨损程度有区别。因此，可对叶片不同程度磨损的区域进行划分，再依据磨损程度涂装相适
应的材料，以此减少叶片磨损，增加叶片使用寿命，提高发电量。参考文献
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Numerical Simulation of Erosion and Wear of Wind Turbine Blades by Different Wind Speeds Under Wind Carrying Sand Environment
ZHANG Li-xin a ,SHENG Wei b ,TANG Mei-ling c
（a.Graduate Department;b.Planning and Development Office;c.School of Energy and Power Engineering,
Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province ）
Abstract ：Aiming at the erosion and wear of horizontal axis wind turbine blades,taking the wind speed as an influencing factor,the numerical simulation of the distribution of blade erosion rate was carried out with the discrete phase model in Fluent.The results show that the increase of wind speed leads to the increase of blade wear rate,and the middle part and tip of the blade have obvious wear,and the wear at the tip is the most serious.The simulation results are consistent with the experimental results,which verifies the correctness of the mathematical model and calculation method.
Key words ：sand bearing wind;wind turbine;discrete phase model;erosion and wear
（责任编辑
张
凯
校对
魏静敏）
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