基于CFD的旋转流体机械叶轮设计研究

作者:蔡洪彬;张士锋;肖建国; 刊名:福建农机 上传者:赵松柏

【摘要】叶轮是风力发电机中重要的关键部件,叶轮的构型直接影响对风能的利用率.文章基于CFD(计算流体动力学),采用标准k-?湍流模型结合多参考系(MRF)分析技术来计算叶轮在5 m/s风速条件下,内部流场、速度矢量以及叶轮表面压力分布情况,用以预测验证叶轮构型设计的有效性.论文所采用的数值模拟方法同样适用于发动机等旋转机械装置的设计、开发和性能分析,具有一定的指导意义.

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基于CFD的旋转流体机械叶轮设计研究 蔡洪彬1 张士锋1 肖建国2 (1长春理工大学,吉林长春130022;2云南北方驰宏光电有限公司,云南昆明65000) 摘 要 :叶轮是风力发电机中重要的关键部件,叶轮的构型直接影响对风能的利用率。文章基于CFD(计 算流体动力学),采用标准fc-e湍流模型结合多参考系(MRF)分析技术来计算叶轮在5 m/s风速条件下,内部流 场、速度矢量以及叶轮表面压力分布情况,用以预测验证叶轮构型设计的有效性。论文所采用的数值模拟方法 同样适用于发动机等旋转机械装置的设计、开发和性能分析,具有一定的指导意义。 关键词:叶轮;计算机流体动力学;多参考系 中图分类号:TH3 文献标识码:A 聲^ I 你遣农机 叫究与裸索 第 溯 I FUJIAN NONGJI___________________________________________________________________________________________________ :______________ 引言 风机、风扇、发动机、泵等旋转流体机械与人们 的生活息息相关,广泛用于汽车工业、生物医疗、农 业灌溉等领域[1_2]。叶轮是旋转流体机械关键部件之 一 ,叶轮的性能直接影响旋转流体机械的工作效率。 旋转流体机械的内部流场是高度动荡和复杂 的,很难获得解析解,提供的设计依据有限[3]。实验 验证通常可提供最可靠的数据,但其硬件和工时的 消耗需要昂贵费用支持。随着数学和计算机性能的 发展,计算流体动力学(CFD)成为旋转流体机械工业 设计和分析的重要手段[4]。类似离心压缩机大涡模 拟等大型问题的求解在台式计算机上即可运行,这 种计算能力的快速发展意味着可以在更短的时间和 周期内进行更多的设计尝试。本文以风力发电机的 叶轮为对象,采用标准)t-e 湍流模型以及多参考系 (MRF)方法,分析风罩内部流场、速度矢量以及叶轮 表面压力分布情况。 1 流体力学基本方程 1.1控制方程 应用计算流体动力学(CFD)求解流场问题,首要 是将复杂的流场离散成网格,使流体动力学方程可以 在节点处进行计算,基本质量、动量守恒定律必须适 用于每个网格。CFD中任意的连续性方程为[5]: ^ + w + K )+ i^ o =() (1) dt dx dy dz 式中:P 为密度,f 为时间,M为速度。 在旋转流体机械中,忽略重力效应,其动量方 程[习为: p^-=pF + divP (2) at 式中:r 为体积,p 为作用在流体微团单位面积上的 应力张量,f 为作用在流体单位质量上的质量力。 1.2湍流模型 湍流是计算流体力学中非常复杂的问题,主要体 作者简介:蔡洪彬(1987 — ),男,研究实习员,主要研究方向:机械设计及理论、超精密加工。 铃 _ 16 _ FUJIAN 研究与棵索 现在其流动的无规律性、混乱性、随时间的变化性,且 都是三维流动。在计算流体力学中最常用的湍流模 型是A 模型,以湍流流动的动能转化为热量的速 率来表征湍流的强度W q = k V2 ⑶ 式中:A:为湍流动能,s 为粘滞耗散率,/为湍流尺度。 1 . 3 壁面函数 在类似于涡轮压缩机等高雷诺数的流动问题中, 其壁面的粘性边界层非常的薄,采用网格细化技术是 无法达到计算要求的。因此可以施加壁面函数,对边 界层进行适当的简化处理。施加壁面函数之后,边界 层附近的速度模拟方式: u + = — = y ^ y + + B (5) IK k 式中:^为 壁 面 的剪切应力;巧为平行于壁

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