風機翼型邊界層分離的二維數值模擬研究

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生改變，從而產生流動分離。流動分離產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，轉變為推動氣體流動的壓力，從而實現氣體的流動。風機廣泛應用于發電廠、鍋爐和工業爐窯的通風和引風，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，降低其耗電率是節能的一項重要措施。

2 翼型基本知識

2.1 幾何參數

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，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生、發展和消亡，同時，這些渦結構之間又不斷發生著復雜的相互作用，這就使得對湍流現象的理解、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、經濟、合理的精度。它是個半經驗的公式，是從實驗現象中總結出來的。

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。

d、標準k-ε模型是一種高雷諾數的模型，RNG理論提供了一個考慮低雷諾數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） 可實現的k-ε模型：

可實現的k-ε模型是近期才出現的，比起標準k-ε模型來有兩個主要的不同點：可實現的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學約束，湍流的連續性。

4 數值模擬結果及分析

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域

設定流動區域，如圖4-1所示，其中，翼型弦長為22.4cm，流動區域左邊為半徑為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） 劃分網格和翼型邊界層

各條邊上的節點數如表4-1所示，得到的整體網格效果圖如圖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°攻角下的數值模擬）沖擊的情況進行了二維數值模擬，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，就會使流場出現旋渦，邊界層分離，而且攻角越大，現象越明顯，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的旋渦更大，邊界層分離現象更明顯。

由于所做的只是二維的數值模擬，與三維的現實現象有出入，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.