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熱能與動力工程專業(yè)論文-在線瀏覽

2024-08-06 17:53本頁面
  

【正文】 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)。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。 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)。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。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)。除幾何弦外,翼型還有氣動弦。對稱翼型的幾何弦與氣動弦重合,氣動弦又稱零升力線。前緣點上下翼面切線的夾角就是前緣角。且垂直向上。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。 稱為最大相對厚度,xc為最大厚度位置,其無因次量為。 4) 中弧線 翼型內(nèi)切圓圓心的連線叫做中弧線。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。同樣,通常翼型的相對彎度指最大相對彎度,用表示。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。 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。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。翼型是用來產(chǎn)生升力的,也就是說,要產(chǎn)生一個垂直于與翼型幾何弦成小角度的入射流的力。相對速度V與翼型幾何弦的夾角叫攻角α。壓力中心的位置和翼面上的壓力具體分布情況有關(guān)系。Vα 圖23作用在翼型上的力從理論力學(xué)知道,一個平面力系是可以合成作用在某個指定點上的一個力和一個力矩。這個指定點是一個特殊的點,稱為氣動中心,或者焦點。翼型上確有這樣的一個力矩值不變的點,是理論上證明了的。實驗測得的略有出入,大多數(shù)普通翼型的氣動中心位于0. 23~0. 24弦長處,而層流翼型的則在0. 26~0. 27弦長處。 (23)規(guī)定抬頭力矩為正,低頭力矩為負(fù)。 影響氣動特性的主要因素 1) 雷諾數(shù) 影響低速翼型特性的最重要的流體因素是流體的粘性,它間接產(chǎn)生升力而直接產(chǎn)生阻力和造成流體分離。 現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)上翼型代表性的弦長(典型地在3/4葉展處)范圍是從小型風(fēng)力機(jī)的0. 3米到兆瓦級風(fēng)力機(jī)的2米。那么,對于風(fēng)力機(jī)翼型,雷諾數(shù)的范圍是從一直到。 雷諾數(shù)對翼型的升力特性和阻力特性有著重要的影響。在低雷諾數(shù)(Re)情況下,翼型表面從層流邊界層發(fā)展為完全分離和失速;在中等雷諾數(shù)(Re)情況下,翼型表面從層流邊界層經(jīng)過分離氣泡,再附著發(fā)展為湍流邊界層;在高雷諾數(shù)(Re)情況下,翼型表面從層流邊界層經(jīng)過轉(zhuǎn)捩發(fā)展為湍流邊界層。層流翼型有較低的阻力系數(shù)和較高的升阻比。這些凹凸不平的波峰與波谷之間高度的平均值稱為粗糙度。通常粗糙的型面和光滑的型面相比,翼型的升力系數(shù)降低,阻力系數(shù)增加。通常翼型前緣向后到20~30%弦長處的上下表面對翼型氣動特性影響尤為顯著。通常情況下,湍流度增加,翼型的阻力系數(shù)和最大升力系數(shù)增加,最大升阻比減小。風(fēng)力機(jī)葉片的工況是很寬的,不僅涉及小攻角情況,而且涉及到失速和大攻角范圍的升力和阻力特性。3 數(shù)值模擬理論 邊界條件的確定 FLUENT提供了十余種類型的進(jìn)口、出口邊界條件[21],下面將本文涉及到的邊界條件介紹如下: 1) 速度入口(velocityinlet): 給定入口邊界上的速度及其他相關(guān)標(biāo)量值。輸入量包括:速度大小、方向或各速度分量、周向速度(軸對稱有旋流動)、靜溫(考慮能量)等。給定出口邊界上的靜壓強(qiáng)(表壓強(qiáng))。如果當(dāng)?shù)厮俣纫呀?jīng)超過音速,該壓力在計算過程就不采用了。其他量都根據(jù)內(nèi)部流動外推出邊界條件。出口回流條件需要給定:回流總溫(如果有能量方程)、湍流參數(shù)(湍流計算)、回流組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(有限速率模型模擬組分輸運)、混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其方差(PDF計算燃燒)?;亓髁鲃臃较蚺c出口邊界垂直。對于壁面有平移運動或者旋轉(zhuǎn)運動時,可以指定壁面切應(yīng)力和與流體換熱情況。 kε模型 kε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(yīng)用最為普遍的模式。整個湍流場的特征取決于這些渦結(jié)構(gòu)的不斷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡,同時,這些渦結(jié)構(gòu)之間又不斷發(fā)生著復(fù)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。kε模型包括標(biāo)準(zhǔn)的kε模型,RNGkε模型和可實現(xiàn)的kε模型,下面簡單介紹一下[22]:1) 標(biāo)準(zhǔn)的kε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。適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、合理的精度。湍動能輸運方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到,耗散率方程是通過物理推理,數(shù)學(xué)上模擬相似原型方程得到的。 2) RNG kε模型: RNG kε模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計技術(shù)。 b、考慮到了湍流旋渦,提高了在這方面的精度。 d、標(biāo)準(zhǔn)kε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。這些特點使得RNG kε模型比標(biāo)準(zhǔn)kε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度。術(shù)語“realizable”,意味著模型要確保在雷諾壓力中要有數(shù)學(xué)約束,湍流的連續(xù)性。 可實現(xiàn)的kε模型和RNG kε模型都顯現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn)kε模型在強(qiáng)流線彎曲、旋渦和旋轉(zhuǎn)有更好的表現(xiàn)。但是最初的研究表明可實現(xiàn)的kε模型在所有kε模型中流動分離和復(fù)雜二次流有很好的作用。對以上流動過程模擬結(jié)果都比標(biāo)準(zhǔn)kε模型的結(jié)果好,特別是可再現(xiàn)kε模型對圓口射流和平板射流模擬中,能給出較好的射流擴(kuò)張。這種額外的旋轉(zhuǎn)影響已經(jīng)在單一旋轉(zhuǎn)參考系中得到證實,而且表現(xiàn)要好于標(biāo)準(zhǔn)kε模型。4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析 整個研究過程是空氣來流速度為50m/s,攻角在36176。之間,每兩度進(jìn)行一次模擬計算的過程。為例,講述在整個研究過程中GAMBIT的使用。ADIJEFGHCB 圖41 流動區(qū)域圖FEJIH 圖42 翼型局部放大圖2) 劃分網(wǎng)格和翼型邊界層各條邊上的節(jié)點數(shù)如表41所示,得到的整體網(wǎng)格效果圖如圖43所示: 表41 各條邊的上網(wǎng)格劃分的節(jié)點數(shù)邊ABBCCDDEEHHFAFFIIJJEAD節(jié)點數(shù)200545200200353520070570470 圖43 整體網(wǎng)格效果圖3) 定義邊界類型各邊界的類型和所包含的邊線如表42所示。為例,講述在整個研究過程中FLUENT軟件的使用。 2) 檢查網(wǎng)格,最小面積不能出現(xiàn)負(fù)值。 4) 求解器參數(shù)設(shè)置:設(shè)置參數(shù)如圖44所示。 圖44求解器設(shè)置對話框 圖45紊流模型選擇對話框 6) 不選用能量方程。 8) 確定工作壓強(qiáng):設(shè)置工作壓強(qiáng)為默認(rèn)的101325Pa。其中,k,ε是由kε計算器根據(jù)來流速
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