【正文】 的影響經(jīng)常發(fā)生變化，與之匹配的風(fēng)機(jī)風(fēng)量也要隨之改變，為了適應(yīng)電站鍋爐阻力變化小，而風(fēng)量變化要求較大的特點，在選用離心通風(fēng)機(jī)時，一般首先選用機(jī)翼型葉輪。翼型的氣動性能參數(shù)的確定是風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計的重要內(nèi)容，通過實驗來獲取風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計所需翼型的所有性能參數(shù)將要花費太多的人力和時間，因此翼型數(shù)值模擬準(zhǔn)確性成為了風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計的重要課題[8]。運用FLUENT數(shù)值計算軟件，對翼型流動進(jìn)行二維數(shù)值模擬，對不同沖角下的流動情況進(jìn)行詳細(xì)的研究，找出沖角與分離點位置的關(guān)系，對預(yù)測風(fēng)機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運行范圍和風(fēng)機(jī)的高效可靠運行具有重要的指導(dǎo)意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢我國風(fēng)機(jī)擁有量約230萬臺以上，年耗電量約占全部發(fā)電量的10%左右，因此風(fēng)機(jī)的節(jié)電有著十分重要的意義。，分別同比增長121%、114%，預(yù)計2008年市場需求還將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，國產(chǎn)設(shè)備的新裝機(jī)容量年增長速度為60%70%[9]。但中國仍有多種低效舊風(fēng)機(jī)需要更新?lián)Q代，新推廣的風(fēng)機(jī)也有待于進(jìn)一步完善。因此，中國應(yīng)該不斷提高風(fēng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定市場需求，還要積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，提高技術(shù)開發(fā)能力。但是，據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)機(jī)的電能利用率超過50%％，而電能利用率超過60%的只有36%，如果將風(fēng)機(jī)運行效率提高10%，全國就可以節(jié)電150億千瓦時了[10]。因此，如何能以科技為基礎(chǔ)，發(fā)展、優(yōu)化風(fēng)機(jī)，從而提高其性能，降低經(jīng)濟(jì)損失，并將其轉(zhuǎn)化為效益成為一個十分重要的課題。2001年，山西原平化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的劉天靈，咸高創(chuàng)[11]就通過對風(fēng)機(jī)的軸受力進(jìn)行了數(shù)值計算分析，知道了該廠風(fēng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障的原因?，F(xiàn)代風(fēng)機(jī)特點是轉(zhuǎn)速高，壓力大，葉輪流道窄，線速度高，葉輪所受傳動扭的矩大，受力狀態(tài)復(fù)雜且大，這要求葉輪制造有很高的精度[12]，因此對葉輪葉片的研究和設(shè)計是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究和開發(fā)的重要任務(wù)。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的葉片多采用固定的翼型，但由于應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用目的不同，風(fēng)機(jī)翼型的葉片并不能高效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)80年代中期開始研究風(fēng)機(jī)新翼型，并發(fā)展了各自的翼型系列。我國對風(fēng)機(jī)翼型的研究主要在于測繪和仿制上，并且僅限于進(jìn)行一些風(fēng)機(jī)試驗，由于商業(yè)因素和技術(shù)保密等原因，我們不容易得到國外風(fēng)機(jī)專用翼型相關(guān)的氣動實驗數(shù)據(jù)。一些設(shè)計和制機(jī)專利都是從國外引進(jìn)的，嚴(yán)重制約了我國風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)機(jī)翼型系列，研制我國新型高效的風(fēng)機(jī)葉片，對促進(jìn)我國風(fēng)機(jī)事業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要[13]。西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院的黃華，張禮達(dá)[14]基于翼型理論和線性動量理論對葉片翼型截面升力公式的計算，導(dǎo)出對非設(shè)計工況來流角計算的迭代式。應(yīng)用牛頓拉普森迭代法對來流角進(jìn)行計算，根據(jù)結(jié)果再計算葉片截面的升力、推力、切向力、功率等氣動參數(shù)，提出一種風(fēng)力機(jī)葉片翼型氣動性能的計算和校核設(shè)計方法。 傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)設(shè)計是以實驗為基礎(chǔ)的設(shè)計，通過反復(fù)的設(shè)計計算和實驗來確定最終設(shè)計改進(jìn)方案，設(shè)計周期長，費用也較高，對經(jīng)驗的依賴性較強(qiáng)，而USED技術(shù)已經(jīng)改變了工程設(shè)計方法，它是一個用于分析流體現(xiàn)象和減少設(shè)計時間的有力工具[15]。2008年西華大學(xué)風(fēng)電技術(shù)研究所的毛金鐸，張禮達(dá)[16]應(yīng)用USED流體力學(xué)軟件對風(fēng)力機(jī)葉片常用翼型THAThow211進(jìn)行數(shù)值分析，得出了其升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比以及翼型表面壓力隨來流攻角變化關(guān)系，并依據(jù)計算結(jié)果對FFAw3211 翼型的氣動性能進(jìn)行分析。風(fēng)機(jī)葉片翼型設(shè)計理論是決定風(fēng)機(jī)功率特性和載荷特性的根本因素，一直是各國學(xué)者研究的熱點?，F(xiàn)有翼型的表達(dá)都是通過離散的點來實現(xiàn)的，并不存在函數(shù)的具體表達(dá)形式。新翼型的設(shè)計也是基于原有的翼型坐標(biāo)，對其進(jìn)行局部的調(diào)整，以獲得性能更為優(yōu)越的翼型。利用FLUENT有限元軟件能很好地模擬離心風(fēng)機(jī)流場，計算出風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，可以節(jié)約成本，減短設(shè)計周期，并且能得到極具實際指導(dǎo)意義的結(jié)論。2008年遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院李文華，范興文[17]。計算中采用了標(biāo)準(zhǔn)kε湍流模型與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。通過模擬發(fā)現(xiàn)了蝸舌對葉輪中流動的影響和部分空氣在葉輪中的螺旋狀流動，捕捉到了離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部許多重要的流動現(xiàn)象，同時對計算結(jié)果進(jìn)行了分析，對該類風(fēng)機(jī)的性能改進(jìn)提供了一定的依據(jù)。2009年重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點實驗室的陳進(jìn)，張曉，王旭東[18]對某翼型擾流流動建立了二維可壓縮湍流模型，利用商業(yè)軟件 FLUENT對翼型不同來流攻角下的氣動特性進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬計算。湍流黏度采用基于RANS的Spala~Allmaras湍流模型處理，得出了雷諾數(shù)在 106時，某翼型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和壓力分布隨來流攻角的變化關(guān)系。數(shù)字仿真能比真實實驗提供更多結(jié)果，而且可以用于核實和完善實驗結(jié)論[19]，可深化了解風(fēng)機(jī)翼型的氣動性能，對不同沖角下的流動情況進(jìn)行詳細(xì)的研究，找出沖角與分離點位置的關(guān)系，為風(fēng)機(jī)葉片翼型選型和葉片翼型改型設(shè)計和研發(fā)工作提供技術(shù)參數(shù)和指導(dǎo)意見。 研究方法及主要內(nèi)容由于葉輪機(jī)械內(nèi)部流場非常復(fù)雜，并帶有強(qiáng)烈的非定常特征，進(jìn)行細(xì)致的實驗測量非常困難，目前尚沒有完善的流體力學(xué)理論解釋諸如流動分離、失速和喘振等流動現(xiàn)象，這就迫切需要可靠詳細(xì)的流動實驗和數(shù)值模擬工作來了解機(jī)械內(nèi)部流動本質(zhì)。本文將利用FLUENT軟件對風(fēng)機(jī)翼型葉片進(jìn)行二維的數(shù)值模擬，研究空氣以不同的方向流入翼型葉片入口所造成的流動分離。根據(jù)數(shù)值模擬的一般步驟：利用Gambit創(chuàng)建二維模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定邊界條件和區(qū)域，輸出網(wǎng)格，再利用FLUENT求解器求解，對不同空氣來流攻角角下的流動進(jìn)行二維數(shù)值模擬。在得到模擬結(jié)果后,對不同攻角下模擬所得到的速度矢量圖進(jìn)行比較分析，得出風(fēng)機(jī)翼型邊界層分離和攻角的關(guān)系。2 翼型基本知識 幾何參數(shù) 翼型的氣動性能直接與翼型外形有關(guān)。通常，翼型外形由下列幾何參數(shù)決定[20]:1) 翼弦BO氣動弦?guī)缀蜗?圖21翼型的氣動弦與幾何弦 翼型前緣點O與尾緣點B之間的連線稱翼弦，翼弦OB的長度稱作弦長，以C表示，它是翼型的基準(zhǔn)長度，也稱為幾何弦。除幾何弦外，翼型還有氣動弦。當(dāng)氣流方向與氣動弦一致時，作用在翼型上的升力為零，如圖21所示。對稱翼型的幾何弦與氣動弦重合，氣動弦又稱零升力線。 2) 前緣半徑和前緣角 翼型前緣點的內(nèi)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22所示的直角坐標(biāo)，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)。對應(yīng)同一x坐標(biāo)的上下翼面點距為翼型的厚度，以t表示，見圖22。厚度隨x的變化稱厚度分布，以t(x)表示: 當(dāng)時，稱最大厚度。 稱為最大相對厚度，xc為最大厚度位置，其無因次量為。通常，翼型的相對厚度即指最大相對厚度，以t表示。 4) 中弧線 翼型內(nèi)切圓圓心的連線叫做中弧線。只有對稱翼型時中弧線與翼弦重合。圖22翼型的厚度分布 5) 彎度和彎度分布 翼型中弧線和翼弦間的高度稱為翼型的彎度，弧高沿翼弦的變化稱為彎度分布，以表示： 當(dāng)時，稱為最大彎度，以f表示。稱為最大相對彎度，xf為最大彎度位置，其無因次量為。同樣，通常翼型的相對彎度指最大相對彎度，用表示。 6) 尾緣半徑和尾緣角翼型尾緣點B的內(nèi)切圓半徑稱為翼型尾緣半徑。若尾緣為尖的，則以尾緣點上下翼面的切線夾角表示，稱為尾緣角。有的翼型尾緣是平的，則用尾緣厚度表示。 氣動特性翼型所受的力是作用在上下表面的分布力之合力。表面力有兩種，一種是法向力，即壓力；一種是切向力，即摩擦力。這里定義和遠(yuǎn)前方來流相垂直的合力為升力，而與遠(yuǎn)方來流方向一致的合力為阻力。也像壓強(qiáng)通常表示為無量綱的壓強(qiáng)系數(shù)一樣，升力和阻力通常也表示為無量綱的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd，二者定義如下： (21)