风机翼型边界层分离的二维数值模拟研究

2015-10-21汪洋

建筑工程技术与设计 2015年5期

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-ε模型

k-ε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-ε模型包括标准的k-ε模型，RNGk-ε模型和可实现的k-ε模型，下面简单介绍一下：

1）标准的k-ε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-ε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-ε模型只适合完全湍流的流动过程模拟。

2） RNG k-ε模型：

RNG k-ε模型来源于严格的统计技术。它和标准k-ε模型很相似，但是有以下改进：

a、RNG模型在ε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-ε模型使用的是用户提供的常数。

d、标准k-ε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-ε模型比标准k-ε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-ε模型：

可實现的k-ε模型是近期才出现的，比起标准k-ε模型来有两个主要的不同点：可实现的k-ε模型为湍流粘性增加了一个公式，为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。