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1、二一年六月风机翼型边界层分离的二维数值模拟研究题 目 毕 业 设 计院 系动力工程系专业班级热能与动力工程专业0601班学生XX李维敬 指导教师王松岭 / 风机翼型边界层分离的二维数值模拟研究摘要当风机工作时,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。由于气体进入叶片入口时存在着冲击速度,使气体在风机叶片的吸力面上形成旋涡,造成边界层分离现象而会导致能量损失。针对G4-73风机
2、翼型,利用商业软件FLUENT的前期处理工具Gambit建立二维不可压缩湍流模型,再利用FLUENT对翼型在-36到8的空气来流攻角下的气动特性进行了相应的数值模拟计算,然后,对不同攻角下模拟所得到的速度矢量图进行比较分析,得出风机翼型边界层分离和攻角的关系。关键词：风机翼型；边界层；数值模拟；攻角THE 2D NUMERICAL SIMULATION OF THE BOUNDARY LAYER SEPARATION ON A WIND TURBINE AIRFOILAbstractWhen the fan working, the gas flow channel geometry will
3、 change,which makes the fluid velocity magnitude and direction change resulting flow separation.The flow separation will cause the flow loss.The change of the fluid velocity magnitude and direction makes the flow angle be not equal to the installation angle when the gas is going into the impeller fr
4、om the entrance and out from the impeller,resulting in shock loss.The shock loss will affect the efficiency and performance of fans.When the gas with impact speed imported into the entrance of impeller, it will bring about the vortex on the suction side.This is the reason leading to boundary layer s
5、eparation.With the help of Gambit,a processing tool of FLUENT software,a incompressible turbulence model of a kind of wind turbine airfoil was built. Of course,the specific airfoil of this study is G4-73. Under the different Angle of Attack,the aerodynamic performance of 2D aerofoil of wind turbine
6、airfoil was simulated and analyzed by using the FLUENT software. The AoA of this study was changed from -36 to 8. Then compare the speed vector diagrams obtained via the FLUENT software and find out the relation between the boundary layer separation on the wind turbine airfoil and the Angle of Attac
7、k.Keywords: Wind turbine airfoil; Boundary layer separation; Numerical simulation;Angle of Attack目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国外研究现状和趋势21.3 研究方法及主要容32 翼型基本知识42.1 几何参数42.2 气动特性52.3 影响气动特性的主要因素63 数值模拟理论83.1 边界条件的确定83.2 k-模型84 数值模拟结果及分析104.1 利用GAMBIT建立计算模型104.2 利用FLUENT进行模拟计算114.3 模拟结果分析154.3.1
8、对攻角为-36时的模拟结果分析154.3.2 对不同的攻角时的模拟结果分析174.3.3 对相同大小的正负攻角的模拟结果进行分析19结论23参考文献24致261 绪论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
9、,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。 气体经过风机叶轮后能够获得相应的动能,但是,由于结构、工艺及流体黏性的影响,气体流经风机时不可避免地要产生各种能量损失,而使其实际可利用的能量降低。因此,尽可能地减少气体在风机部的能量损失,对提高风机的效率,降低能耗,保证风机的经济性、安全性有着十分重要的意义。气体流经风机时的损失,按其能量损失的形式不同可分为三种：机械损失、容积损失和流动损失3。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,
10、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。由于气体进入叶片入口时存在着冲击速度,使气体在风机叶片的吸力面上形成旋涡,造成边界层分离现象而会导致能量损失4。现在,全球学者都达成了优化叶片的设计是提高电厂风机效率,从而节省能源的一个有效途径这个共识5。风机的流动损失不仅仅影响到风机的效率,在流动损失过大时,它还会影响到风机的安全运行,引发事故,造成更大的经济损失。20XX大唐热电XX公司2300 M 机组锅炉,风机叶片背面流动恶化,层流边界
11、受到破坏,在叶片背面尾端出现涡流区,此时,风机全压急剧降低,保护系统开关动作,风机停运,发生事故6。离心风机是通过降低二次流涡,涡舌和喷气攻角造成的能量损失来改善风机的气动性能的7,叶轮叶片的气动性能是决定风机性能优劣的主要因素,而叶轮叶片的剖面形状又是决定风机性能的关键因素。从局部流动特性来看,机翼型叶片风机的气流匹配能力更强,气动损失更小,因此,其稳定工作围也较宽,具有优良的气动和变工况性能,尤其是电站锅炉负荷受各方面的影响经常发生变化,与之匹配的风机风量也要随之改变,为了适应电站锅炉阻力变化小,而风量变化要求较大的特点,在选用离心通风机时,一般首先选用机翼型叶轮。翼型的气动性能参数的确定
12、是风机叶片设计的重要容,通过实验来获取风机叶片设计所需翼型的所有性能参数将要花费太多的人力和时间,因此翼型数值模拟准确性成为了风机叶片的设计的重要课题8。运用FLUENT数值计算软件,对翼型流动进行二维数值模拟,对不同冲角下的流动情况进行详细的研究,找出冲角与分离点位置的关系,对预测风机安全经济运行围和风机的高效可靠运行具有重要的指导意义。1.2国外研究现状和趋势我国风机拥有量约230万台以上,年耗电量约占全部发电量的10%左右,因此风机的节电有着十分重要的意义。20XX我国风机新增装机296.17万kW,累计达到556.17万kW,分别同比增长121%、114%,预计20XX市场需求还将远远
13、超出预期,国产设备的新装机容量年增长速度为60%-70%9。但中国仍有多种低效旧风机需要更新换代,新推广的风机也有待于进一步完善。因此,中国应该不断提高风机产品质量、稳定市场需求,还要积极引进先进技术,提高技术开发能力。但是,据统计,风机的电能利用率超过50%的仅占总数的54.2,而电能利用率超过60%的只有36%,如果将风机运行效率提高10%,全国就可以节电150亿千瓦时了10。因此,如何能以科技为基础,发展、优化风机,从而提高其性能,降低经济损失,并将其转化为效益成为一个十分重要的课题。20XX,原平化学工业集团XX公司的天灵,咸高创11就通过对风机的轴受力进行了数值计算分析,知道了该厂风
14、机经常出现故障的原因。现代风机特点是转速高,压力大,叶轮流道窄,线速度高,叶轮所受传动扭的矩大,受力状态复杂且大,这要求叶轮制造有很高的精度12,因此对叶轮叶片的研究和设计是风力发电技术研究和开发的重要任务。传统风机的叶片多采用固定的翼型,但由于应用环境和应用目的不同,风机翼型的叶片并不能高效地进行能量转换。发达国家从20世纪80年代中期开始研究风机新翼型,并发展了各自的翼型系列。我国对风机翼型的研究主要在于测绘和仿制上,并且仅限于进行一些风机试验,由于商业因素和技术等原因,我们不容易得到国外风机专用翼型相关的气动实验数据。一些设计和制机专利都是从国外引进的,严重制约了我国风机产业的发展。开发
15、具有我国自主知识产权的风机翼型系列,研制我国新型高效的风机叶片,对促进我国风机事业的发展至关重要13。西华大学能源与环境学院的黄华,礼达14基于翼型理论和线性动量理论对叶片翼型截面升力公式的计算,导出对非设计工况来流角计算的迭代式。应用牛顿-拉普森迭代法对来流角进行计算,根据结果再计算叶片截面的升力、推力、切向力、功率等气动参数,提出一种风力机叶片翼型气动性能的计算和校核设计方法。传统风机设计是以实验为基础的设计,通过反复的设计计算和实验来确定最终设计改进方案,设计周期长,费用也较高,对经验的依赖性较强,而USED技术已经改变了工程设计方法,它是一个用于分析流体现象和减少设计时间的有力工具15。20XX西华大学风电技术研究所的毛金铎,礼达16应用USED流体力学软件对风力机叶片常用翼型THAT-how-211进行数值分析,得出了其升力系数、阻力系数、升阻比以及翼型表面压力随来流攻角变化关系,并依据计算结果对FFA-w3-211 翼型的气动性能进行分析。风机叶片翼型设计理论是决定风机功率特性和载荷特性的根本因素,一直是各国学者研究的热点。现有翼型的表达都是通过离散的点
