在风电产业的快速发展过程中,风力发电机组的雷击防护已成为目前亟待解决的重大技术问题。在风电场雷击事故中,风机桨叶由于其巨大的高度,成为了主要的雷击附着点,一旦遭受雷击,可能导致叶片爆裂破坏,造成巨大的经济损失。现有的风机叶片防雷系统(接闪器-引下线系统)可在一定程度上抵御雷击损伤,相关研究也主要围绕接闪器系统的优化设计展开。但无法做到对叶片雷击损伤的完全防护。因此,应深入研究雷击电弧作用下叶片爆裂损伤机制,提高叶片在遭受雷击时的防御能力。但叶片遭受雷击时,电弧产生瞬时高温和冲击压力是一个高速动态演化过程,传统实验手段难以测量相关参数。真实叶片造价昂贵,不适合大批量进行实验,无法探究雷击点位置与引下线布置方式对叶片损伤特性的影响作用。因此,还需借助建模与仿真手段,深入揭示叶片损伤机制。为研究雷击电弧气爆效应对风机桨叶的爆裂损伤机制,本文基于磁流体动力学(MHD)理论搭建雷击电弧模型,分别采用二维叶片截面和三维真实叶片结构进行建模,并将雷击电弧典型路径纳入考虑;对雷击电弧电流密度分布进行简化,使仿真模型复杂度降低;采用毕奥萨伐尔定律计算磁场强度,其计算效率优于矢量磁位法。针对流体动力学方程组,为了提高计算效率,作者忽略了其重力项。由于粘性耗散项在能量守恒方程中并不产生额外热量,认为其值为零。在计算过程中,COMSOL软件根据上一次迭代求解所得的温度及压强对热导率、粘性系数、电导率等物性参数进行更新。同时,计算出本次迭代过程中各方程组求解所需的边界条件。下一步,根据上述结果,计算辐射热、洛伦兹力、焦耳热等源项。在实现相关物性参数全部更新的基础上,对方程组的系数进行更新并求解方程组。基于二维截面模型和三维叶片模型的计算,均发现当雷击点靠近叶尖时,雷击电弧热效应产生的气流对叶片的后缘的压力增大,故整只风机叶片受损风险加大。从防雷角度出发,推荐在实际叶片中引下线布置于主梁。基于二维截面模型,利用有限元仿真软件COMSOL对叶腔内部温度和压力分布进行计算,发现引弧点温度、叶片后缘压力与已有文献实验结果中材料碳化长度、后缘开裂长度分别具有正相关关系,验证了本文仿真模型的合理性。在峰值30 kA冲击大电流作用时,叶片引弧点附近不会发生材料碳化损伤,但高温可能导致叶片结构粘接胶的失效。电弧产生的气流会对叶片后缘产生多次连续冲击,叶片生产厂家应提高环氧树脂粘接胶材料的抵抗多次连续冲击能力。基于三维模型进行仿真计算,发现风机叶片遭受雷击后,雷击点的温度先迅速升高至最大值,然后缓慢降低,这与雷电流随时间的变化趋势一致。但由于电弧具有热惯性,温度随时间变化速度滞后于雷电流。高温区域主要分布在雷击电弧周围,叶片材料碳化长度与已有文献的实验结果较为吻合。遭受雷击后,叶片后缘的压力先增加至峰值,然后呈现震荡衰减趋势,压力最大值出现在震荡过程中。高压力区域先分布在右侧腹板与后缘之间,后逐渐向整个叶腔内扩散。后缘压力最大值与已有文献中后缘开裂程度呈正相关关系。当雷击点靠近叶尖时,叶片材料碳化程度和后缘压力最大值呈现上升趋势,且当引下线布置于主梁时,上述两者均低于引下线布置于右侧腹板的情况。使用环氧树脂将叶片后缘粘接处浇铸成半径为30mm的圆角。