利用物質點法探討雨滴對風機葉片前緣侵蝕之機制;Investigation of Leading-Edge Rain Erosion on Wind Turbine Blades Using the Material Point Method

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題名:	利用物質點法探討雨滴對風機葉片前緣侵蝕之機制;Investigation of Leading-Edge Rain Erosion on Wind Turbine Blades Using the Material Point Method
作者:	蘇昱臻
貢獻者:	國立中央大學土木工程學系
關鍵詞:	風機;風機葉片前緣侵蝕;物質點法;廣義插質物質點法;流體-固體耦合計算;複合材料;應力波傳;計算力學;wind turbine;leading-edge erosion;material point method;generalized material point method;soild-fluid interaction;stress wave propagation;computational mechanics
日期:	2025-07-31
上傳時間:	2025-08-07 16:45:44 (UTC+8)
出版者:	國家科學及技術委員會(本會)
摘要:	全球各國為了努力追求「2050年淨零排放」之目標，戮力於再生能源開發，力求取代過往大量碳排的石化能源。風能作為可快速捕捉的可再生能源之一，因其而生之風電產業開發不斷被各國推向高峰，且仍未顯疲態，故此「風電產業」被稱作「綠金」實為名副其實。臺灣海峽因得天獨厚的地形及氣候特性，全年風速穩定，加上政府「提升能源自主」、「能源轉型」與「綠能科技」政策支持下，吸引了全球各地風電外商及本土企業競相投入，致使本國風電產業蓬勃發展，目前已有多處地區設置陸域及離岸風機，行政院公報載明，以114年透過風電所達之預期發電量為235億度(陸域28、離岸207億度)。現代風力發電機的葉片尺寸不斷增大，主因為研究顯示產能與葉片尺寸成正比，然而，越大的葉片也伴隨著越快的尖端切線速度，而不斷升高的葉片速度無庸置疑地將提高葉片所承受的環境載重。對葉片而言，最主要的環境載重即為空氣中雨滴、懸浮砂礫及昆蟲等高速衝擊之載重。經年累月的高速撞擊下，將使得葉片表面前緣快速侵蝕耗損(Leading Edge Erosion, LEE)。而此耗損更將直接降低年度電能產量(Annual Energy Production, AEP)。有鑑於此，風機葉片的侵蝕議題變成為了製造商與營運商須面對不可避免的重要課題。換言之，若能對風機葉片之侵蝕機制有質化及量化的瞭解，將有助於葉片製造前之設計與運轉時之管養工作。有關葉片侵蝕的公開量化調查資料其實非常有限，主要還是歸因於現代風機製造商和風力發電場運營商因品牌形象的考量，加上同業間彼此競合關係而不願過度公開相關數據。在此背景因素下，製造商若需對侵蝕機制有所瞭解，往往需花費大筆金錢將葉片送往專業實驗室進行測試。除實驗所需之金錢與人力成本外，因風機葉片表面結構材料繁多且組成複雜，總厚度更是僅達毫米尺度，實不易於實驗室條件下探知葉片內侵蝕發展，如應力波傳遞與裂縫生成等行為。故此，透過數值分析方法分析或預測侵蝕機制便成為近年來熱門研究議題。完善的數值分析方法擁有諸多優點，其一，製造商能於設計階段針對現地環境，就材料的選擇、組合、厚度配置有綜觀性調查，進而取得抗侵蝕能力較佳之葉片結構，進而減少送實驗室測試的樣品數，大為降低前期製造與測試成本；其二，當葉片已施作完成，甚至是以啟動運轉，完善的數值分析機制可基於葉片之各項特性，預測可能發生侵蝕之位置、型態，甚至是更進階之預計發生時間，如此一來，風機管理養護單位即可依此安排檢測時機，避免過早進場而耗費人力與物力資源，或是過晚進場錯失發現侵蝕之黃金時間。過去二十多年，諸多數值方法均已應用於此研究議題；然而，各方法均有其限制，舉例而言，有限元訴法因網格連接特性，不易處理大變形(如雨滴撞擊後之變形)與裂縫生成問題，結合歐拉與拉格朗日把，須透過耦合程序將不同數值方法結合。為了能同時簡化運算方式與考量大變形問題，本計畫旨在找尋一個易於瞭解與操作之數值方法，並利用此特性建立葉片侵蝕之分析及預測平台。本計畫所選用之數值方法即為物質點法(Material Point Method)，原因為物質點法系質點法之一種，更同時結合歐拉法及拉格朗日法優點發展而成。如此一來，雨滴-葉片的流固耦合及裂縫生成便不需再有特殊耦合算法；此外，物質點法更具有與有限元素法相似的特性，如弱型式(weak form)的使用、連續體的離散與時間積分算法，如此可使得更多的有限元素法專家學者快速地認識並使用物質點法。本計畫預計可將多種葉片材料之組成律、破壞準則、葉片初始缺陷以及葉片缺陷隨時間劣化之關係考量其中。所開發之計算架構可以在應用於關於流固耦合、複合材料及材料破壞之工程問題，諸如可建立複雜內部組成之複合材料模型、分析雨滴撞擊後產生之濺開或彈跳現象、固體受撞擊後產生的應力分布、孔隙或裂縫生成、以及具初始缺陷固體授雨滴碰撞後之應力集中現象。研究成果則可應用於風機葉片保護層設計，其中包含: 1. 風機葉片的雨滴侵蝕測試實驗系統，2. 風機葉片受雨滴侵蝕之預測數值平台，3. 物質點法應用於流固耦合計算軟體，4. 風機葉片保護層設計評估系統。最後則是如前述，可提供風機運轉之管養部門一項參考依據，藉此規劃檢查工作，減少因不適當之葉片維護頻率所帶來之成本。
關聯:	財團法人國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心
顯示於類別:	[土木工程學系 ] 研究計畫

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