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    風機翼型邊界層分離的二維數(shù)值模擬研究

    2015-10-21 19:41:30汪洋
    建筑工程技術與設計 2015年5期
    關鍵詞:邊界層攻角數(shù)值模擬

    汪洋

    摘要:當風機工作時,氣體流道的幾何形狀改變會使流體運動速度的大小和方向發(fā)生改變,從而產(chǎn)生流動分離。流動分離產(chǎn)生的沖擊會造成流動損失。流體運動速度的大小和方向的改變,也會使得氣體在進入葉片入口和從葉輪出來進入壓出室時,流動角不等于葉片的安裝角,從而產(chǎn)生沖擊損失,影響風機的效率和性能。

    關鍵詞:風機翼型;邊界層;數(shù)值模擬;攻角

    1.1 研究背景及意義

    風機是一種裝有多個葉片的通過軸旋轉推動氣流的機械。葉片將施加于軸上旋轉的機械能,轉變?yōu)橥苿託怏w流動的壓力,從而實現(xiàn)氣體的流動。風機廣泛應用于發(fā)電廠、鍋爐和工業(yè)爐窯的通風和引風,礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻等[1]。尤其是在電站,隨著機組向大容量、高轉速、高效率、自動化方向的發(fā)展,電站也對風機的安全可靠性提出了越來越高的要求,鍋爐風機在運行中常發(fā)生燒壞電機、竄軸、葉輪飛車、軸承損壞等事故,嚴重危害設備、人身安全,也給電廠造成巨大的經(jīng)濟損失[2]。此外,風機一直是電站的耗電大戶,電站配備的送風機、引風機和冷煙風機是鍋爐的重要輔機,降低其耗電率是節(jié)能的一項重要措施。

    2 翼型基本知識

    2.1 幾何參數(shù)

    翼型的氣動性能直接與翼型外形有關。通常,翼型外形由下列幾何參數(shù)決定:

    1) 翼弦

    2) 前緣半徑和前緣角

    翼型前緣點的內切圓半徑稱為翼型前緣半徑,亞音速翼型前緣是圓的,超音速翼型前緣是尖的。前緣點上下翼面切線的夾角就是前緣角。

    3) 厚度和厚度分布

    在計算翼型時通常采用如圖2-2所示的直角坐標,x軸與翼弦重合,y軸過前緣點。且垂直向上。這樣在x軸上方的弧線稱為上翼面(以 表示),下方的弧線稱為下翼面(以 表示)。

    3 數(shù)值模擬理論

    3.1 k-ε模型

    k-ε模型是兩方程湍流模型中最具代表性的,同時也是工程中應用最為普遍的模式。湍流被稱為經(jīng)典力學的最后難題,原因在于湍流場通常是一個復雜的非定常、非線性動力學系統(tǒng),流場中充滿著各種大小不同的渦結構。整個湍流場的特征取決于這些渦結構的不斷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡,同時,這些渦結構之間又不斷發(fā)生著復雜的相互作用,這就使得對湍流現(xiàn)象的理解、描述和控制變得十分困難。對于單相流動,科學界已經(jīng)有較為成熟的湍流封閉模型。k-ε模型包括標準的k-ε模型,RNGk-ε模型和可實現(xiàn)的k-ε模型,下面簡單介紹一下:

    1) 標準的k-ε模型:

    最簡單的完整湍流模型是兩個方程的模型,要解兩個變量,速度和長度尺度。在FLUENT中,標準k-ε模型自從被Launder和Spalding提出之后,就變成工程流場計算中主要的工具了。適用范圍廣、經(jīng)濟、合理的精度。它是個半經(jīng)驗的公式,是從實驗現(xiàn)象中總結出來的。

    應用范圍:該模型假設流動為完全湍流,分子粘性的影響可以忽略,此標準k-ε模型只適合完全湍流的流動過程模擬。

    2) RNG k-ε模型:

    RNG k-ε模型來源于嚴格的統(tǒng)計技術。它和標準k-ε模型很相似,但是有以下改進:

    a、RNG模型在ε方程中加了一個條件,有效的改善了精度。

    b、考慮到了湍流旋渦,提高了在這方面的精度。

    c、RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個解析公式,然而標準k-ε模型使用的是用戶提供的常數(shù)。

    d、標準k-ε模型是一種高雷諾數(shù)的模型,RNG理論提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式。這些公式的作用取決于正確的對待近壁區(qū)域。

    這些特點使得RNG k-ε模型比標準k-ε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度。

    3) 可實現(xiàn)的k-ε模型:

    可實現(xiàn)的k-ε模型是近期才出現(xiàn)的,比起標準k-ε模型來有兩個主要的不同點:可實現(xiàn)的k-ε模型為湍流粘性增加了一個公式,為耗散率增加了新的傳輸方程,這個方程來源于一個為層流速度波動而作的精確方程。術語“realizable”,意味著模型要確保在雷諾壓力中要有數(shù)學約束,湍流的連續(xù)性。

    4 數(shù)值模擬結果及分析

    整個研究過程是空氣來流速度為50m/s,攻角在-36°到+8°之間,每兩度進行一次模擬計算的過程。

    4.1 利用GAMBIT建立計算模型

    下面選取0°為例,講述在整個研究過程中GAMBIT的使用。

    1) 建立翼型輪廓和設定流動區(qū)域

    設定流動區(qū)域,如圖4-1所示,其中,翼型弦長為22.4cm,流動區(qū)域左邊為半徑為67.2cm的半圓,右邊為 cm2的矩形;翼型局部放大圖如圖4-2所示。

    2) 劃分網(wǎng)格和翼型邊界層

    各條邊上的節(jié)點數(shù)如表4-1所示,得到的整體網(wǎng)格效果圖如圖4-3所示:

    4.3 模擬結果分析

    本文用FLUENT軟件對G4-73風機翼型受到速度大小為50m/s的空氣來流在-36°到+8°攻角下(為方便比較而增加了+10°到+36°攻角下的數(shù)值模擬)沖擊的情況進行了二維數(shù)值模擬,通過對模擬的結果進行分析,得出下面的結論:

    (1) 風機翼型在受到較大攻角的來流沖擊時,就會使流場出現(xiàn)旋渦,邊界層分離,而且攻角越大,現(xiàn)象越明顯,即風機氣動性能受到的影響越大;

    (2) 當攻角大小一樣時,攻角為正時風機翼型流場里出現(xiàn)的旋渦更大,邊界層分離現(xiàn)象更明顯。

    由于所做的只是二維的數(shù)值模擬,與三維的現(xiàn)實現(xiàn)象有出入,所以模擬的結果可能會有偏差,另外本人所學知識的有限,所做的分析還不夠全面,不夠詳盡,存在很多不足,希望能在以后的學習工作中能夠對其進一步改善。

    參考文獻

    [1] 安連鎖.泵與風機[M].北京:中國電力出版社,2001.

    [2] 袁春杭.鍋爐引風機事故的預防[J].中國鍋爐壓力容器安全,2005,14(6):38-39.

    [3] 蔡兆林,吳克啟,穎達.離心風機損失的計算[J].工程熱物理學報,1993,14(1):53-56.

    [4] 王松嶺.流體力學[M].北京:中國電力出版社,2004.

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