风机翼型边界层分离的二维数值模拟研究

1、    风机翼型边界层分离的二维数值模拟研究    汪洋摘要：当风机工作时，气体流道的几何形状改变会使流体运动速度的大小和方向发生改变，从而产生流动分离。流动分离产生的冲击会造成流动损失。流体运动速度的大小和方向的改变，也会使得气体在进入叶片入口和从叶轮出来进入压出室时，流动角不等于叶片的安装角，从而产生冲击损失，影响风机的效率和性能。关键词：风机翼型；边界层；数值模拟；攻角1.1 研究背景及意义风机是一种装有多个叶片的通过轴旋转推动气流的机械。叶片将施加于轴上旋转的机械能，转变为推动气体流动的压力，从而实现气体的流动。风机广泛应用于发电厂、锅炉和工业炉

2、窑的通风和引风，矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却等1。尤其是在电站，随着机组向大容量、高转速、高效率、自动化方向的发展，电站也对风机的安全可靠性提出了越来越高的要求，锅炉风机在运行中常发生烧坏电机、窜轴、叶轮飞车、轴承损坏等事故，严重危害设备、人身安全，也给电厂造成巨大的经济损失2。此外，风机一直是电站的耗电大户，电站配备的送风机、引风机和冷烟风机是锅炉的重要辅机，降低其耗电率是节能的一项重要措施。2 翼型基本知识2.1 几何参数翼型的气动性能直接与翼型外形有关。通常，翼型外形由下列几何参数决定：1） 翼弦2） 前缘半径和前缘角翼型前缘点的内切圆半径称为翼型前缘半径，亚

3、音速翼型前缘是圆的，超音速翼型前缘是尖的。前缘点上下翼面切线的夹角就是前缘角。3） 厚度和厚度分布在计算翼型时通常采用如图2-2所示的直角坐标，x轴与翼弦重合，y轴过前缘点。且垂直向上。这样在x轴上方的弧线称为上翼面（以 表示），下方的弧线称为下翼面（以 表示）。3 数值模拟理论3.1 k-模型k-模型是两方程湍流模型中最具代表性的，同时也是工程中应用最为普遍的模式。湍流被称为经典力学的最后难题，原因在于湍流场通常是一个复杂的非定常、非线性动力学系统，流场中充满着各种大小不同的涡结构。整个湍流场的特征取决于这些涡结构的不断产生、发展和消亡，同时，这些涡结构之间又不断发生着复杂的相互作用，这就使

4、得对湍流现象的理解、描述和控制变得十分困难。对于单相流动，科学界已经有较为成熟的湍流封闭模型。k-模型包括标准的k-模型，rngk-模型和可实现的k-模型，下面简单介绍一下：1） 标准的k-模型：最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度。在fluent中，标准k-模型自从被launder和spalding提出之后，就变成工程流场计算中主要的工具了。适用范围广、经济、合理的精度。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。应用范围：该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略，此标准k-模型只适合完全湍流的流动过程模拟。2） rng k-模型：rng k-模型来源

5、于严格的统计技术。它和标准k-模型很相似，但是有以下改进：a、rng模型在方程中加了一个条件，有效的改善了精度。b、考虑到了湍流旋涡，提高了在这方面的精度。c、rng理论为湍流prandtl数提供了一个解析公式，然而标准k-模型使用的是用户提供的常数。d、标准k-模型是一种高雷诺数的模型，rng理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些公式的作用取决于正确的对待近壁区域。这些特点使得rng k-模型比标准k-模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。3） 可实现的k-模型：可實现的k-模型是近期才出现的，比起标准k-模型来有两个主要的不同点：可实现的k-模型为湍流粘性增加了一个公式，为

6、耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。4 数值模拟结果及分析整个研究过程是空气来流速度为50m/s，攻角在-36°到+8°之间，每两度进行一次模拟计算的过程。4.1 利用gambit建立计算模型下面选取0°为例，讲述在整个研究过程中gambit的使用。1） 建立翼型轮廓和设定流动区域设定流动区域，如图4-1所示，其中，翼型弦长为22.4cm，流动区域左边为半径为67.2cm的半圆，右边为 cm2的矩形；翼型局部放大图如图4-2所示。2） 划分网

7、格和翼型边界层各条边上的节点数如表4-1所示，得到的整体网格效果图如图4-3所示：4.3 模拟结果分析本文用fluent软件对g4-73风机翼型受到速度大小为50m/s的空气来流在-36°到+8°攻角下（为方便比较而增加了+10°到+36°攻角下的数值模拟）冲击的情况进行了二维数值模拟，通过对模拟的结果进行分析，得出下面的结论：（1） 风机翼型在受到较大攻角的来流冲击时，就会使流场出现旋涡，边界层分离，而且攻角越大，现象越明显，即风机气动性能受到的影响越大；（2） 当攻角大小一样时，攻角为正时风机翼型流场里出现的旋涡更大，边界层分离现象更明显。由于所做的只是二维的数值模拟，与三维的现实现象有出入，所以模拟的结果可能会有偏差，另外本人所学知识的有限，所做的分析还不够全面，不够详尽，存在很多不足，希望能在以后的学习工作中能够对其进一步改善。参考文献1 安连锁.泵与风机m.北京：中国电力出版社，2001.2 袁春杭.锅炉引风机事故的预防j