【《风力机叶片COMSOL流场仿真分析案例》1700字】

风力机叶片COMSOL流场仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u20318风力机叶片COMSOL流场仿真分析案例 1223591COMSOL流场仿真 1188631.1COMSOL流场分析简介 1148601.2叶片的二维流场分析 182481.2.1网格划分 1244771.2.2二维叶片截面流场分析 2175692三维叶片的COMSOL流场仿真 102992.1边界条件选取 10187492.2额定风速流场分析 11303752.3不同风速下叶片流场分析 121COMSOL流场仿真1.1COMSOL流场分析简介COMSOL是一款高级数值的仿真软件，主要应用于多物理场全耦合分析[30]，模拟各种物理过程，COMSOL的计算性能和多场双向直接耦合分析，实现了精确的数值模拟仿真。应用领域有：声学；生物科学；化学反应；弥散；电磁学；流体动力学；燃料电池；地球科学；热传导；微电机系统；微波工程；光学；光子学；多孔介质；量子力学；无线电频率部件；半导体设备；结构力学等。目前COMSOL软件主要应用在多物理场耦合分析有限元方法，本章就是采用COMSOL仿真进行叶片流场分析得到气流流速、方向及其压力等演变规律。1.2叶片的二维流场分析1.2.1网格划分对风力机叶片进行网格划分对整个计算过程都会产生影响，优质的网格对仿真效果影响巨大。本章采用的网格是自由三角形网格，单元大小选取的是流体动力学细化，网格顶点单元数25，边界单元数538，单元数16274，最小单元质量05648，质量较好，网格划分见图1.1所示。图1.1自由三角形网格图1.2.2二维叶片截面流场分析设定来流风速度分别为3m/s，9m/s，12m/s，20m/s四种工况。（1）不同风速下流速大小的分析(a)(b)图1.23m/s时翼型截面速度流场图(a)(b)图1.39m/s时翼型截面速度流场图(a)(b)图1.412m/s时翼型截面速度流场图(a)(b)图1.520m/s时翼型截面速度流场图当来流风速是3m/s时，即切入风速，如图1.2所示，翼型流速较好，在最大厚度处流速较大形成涡街，翼型前缘涡街很小，后缘没有产生涡街流速较为平缓。当来流速度是9m/s时，即额定风速，如图1.3所示，翼型前缘流速较好，在后缘底部出现卡门涡街，后缘部分流速很小。当来流速度是12m/s和20m/s(切出风速)时，在翼型后缘出现较为均匀的涡街，气流不稳定，尤其当速度达到切出风速20m/s时，失速现象严重。（2）不同风速下压力大小的分析图1.6(a)4m/s时压力云图图1.6(b)9m/s时压力云图图1.6(c)12m/s时压力云图图1.6(d)20m/s时压力云图四种风速下压力大小的分布如上图1.6(a)(b)(c)(d)所示，分析如下，在翼型前缘都出现压力的最大值，在翼型最大厚度处出现压强的最小值，有涡街的部分压力分布较为均匀。（3）不同截面处流速大小的分析在额定风速9m/s下不同翼型截面的速度图如下图1.7所示,为截面距离叶根的距离(单位：m)。（a）r/R=24%（b）r/R=38%（c）r/R=57%（d）r/R=81%图1.7四个截面9m/s时速度分布图在额定风速下，在叶片越靠近前缘部分速度越来越小，后缘部分速度由小变大，离叶片越远,速度逐渐增大;在截面r/R=24%，r/R=38%处涡街比较明显，尤其在r/R=38%处涡街现象严重，在r/R=57%和r/R=81%处没有明显存在涡街。（4）不同截面下压力大小的分析在额定风速下，压力最大值都在截面前缘处附近；截面r/R=24%叶片底部、后缘处压力比较明显，翼型后缘出现低压带；在截面r/R=24%和r/R=38%处，叶片后面部分压力分布不均匀，压力变化较大；在截面r/R=57%和r/R=81%处，压力分布较为均匀。如下图1.8所示。（a）r/R=24%（b）r/R=38%（c）r/R=57%（d）r/R=81%图1.8四个截面9m/s时压力分布图

5三维叶片的COMSOL流场仿真2.1边界条件选取本小节根据2MW水平轴风力机的风速工况，对模型的流场边界条件进行以下的设置：（1）进出口设置：流场的进口边界设置为速度进口，流场的出口边界确定为压力出口，界面图见下图2.1，图2.2。图2.1进口界面图图2.2出口界面图（2）三维网格划分设置：本模型采用的是自由四面体网格，网格单元大小设置的是较细化的流体力学，顶点单元数12，边单元数26830，单元数1344975，最小单元质量数0.1592，网格质量良好。网格划分图见图2.3。(a)(b)图2.3网格划分图2.2额定风速流场分析本小节以上一章二维流场为基础，研究了在额定风速下三维叶片的流场，建立水平轴风力机流体仿真模型，获得水平轴风力机空间流体特性。图2.4叶片切面图图2.5切面放大图截取了叶片在三维流场空间中的一个截面进行分析，如图2.4所示，图2.5是叶片截面的放大图。在叶片截面越靠近前缘部分速度越来越少，叶片后缘速度最小，离叶片后缘越远，速度逐渐增大。2.3不同风速下叶片流场分析（1）三维模型的构建更加精细化了章节2.2的三维模型，为了更加准确的观察叶片流场，在模型中放大了叶片，网格也更加精细，求解的自由度数2226234个（内部自由度6546022个）,网格质量良好,如图2.6所示。(a)(b)图2.6叶片网格图（2）不同速度下流场的分析设定来流风速为3m/s、9m/s、20m/s，如图2.7、2.8、2.9所示，在叶片前缘和后缘速度最小，离前缘和后缘距离越远，速度越来越大；叶片后部受尾流的影响较大，速度呈扇形面分布；在前缘到后缘区域速度均匀分布，离叶片距离越近，速度越小，离叶片距离越远，速度越大。(a)(b