Savonius風機廠風機空氣動力學基礎及CFD理論基礎

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 (5)葉片高徑比
葉片高徑比即為風機廠風機葉片的高度與葉片直徑的比值：上式中，日為風機廠風機葉片的高度，m；d為葉片直徑，m。
(6)葉片扭角
在傳統(tǒng)Savonius風機廠風機葉片的基礎上，將每個葉片以轉(zhuǎn)軸為中心，旋轉(zhuǎn)一定角度即可形成扭曲葉片，葉片扭角為單個葉片的整體旋轉(zhuǎn)角度，即葉片上下緣切線之間的角度。
本文提出一種葉片扭曲變形的策略，并引入一種新的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，即葉片弧度，結(jié)合葉片扭角、葉片重疊比、葉片高徑比等葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成葉片的變異設計，對Savonius風機廠風機的動轉(zhuǎn)矩輸出性能進行優(yōu)化。
2．2 CFD理論基礎
2．2．1計算流體力學概述
計算流體力學(Computational FluidDynamics，即CFD)是利用電子計算機強大的計算功能結(jié)合離散數(shù)值模擬方法對流體的黏性流動及無粘繞流的特性進行數(shù)值模擬分析的學科，黏性流動主要包括邊界層流動和湍流等，無粘繞流主要包括超聲速流、跨聲速流以及低速流等。數(shù)值模擬方法的功能就是通過計算機對流體流動的微分方程進行數(shù)值求解，得到流場的離散分布情況以供分析使用。
本文中涉及的旋轉(zhuǎn)機械仿真技術(shù)也已隨著CFD技術(shù)的發(fā)展而得到廣泛應用，旋轉(zhuǎn)機械由于其復雜的運動方式導致流體的流動狀態(tài)錯綜復雜，因此針對旋轉(zhuǎn)機械的課題一般研究難度較大。以往的研究主要利用模型實驗法和經(jīng)驗公式法等方法，但模型實驗法試驗周期較長，成本較高，而且不能對細節(jié)進行充分的研究，經(jīng)驗公式法則只能依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗對流體流動狀態(tài)進行計算，同樣不能描述流場流動細節(jié)。而基于CFD的旋轉(zhuǎn)機械仿真技術(shù)則由于其較短的研究周期、較低的研究成本、不斷更新的數(shù)據(jù)庫、可以實現(xiàn)流場細節(jié)的精準描述等優(yōu)點而在旋轉(zhuǎn)機械的研究中得到了極大的應用。
2．2．2湍流理論
(1)雷諾數(shù)Re
在流體運動中表示慣性力與黏滯力比值的無量綱數(shù)Re稱為雷諾數(shù)，它一般被用來表征流體的流動情況，是劃分流體運動狀態(tài)的基本參數(shù)，定義如下式所示：上式中，P為流體密度，kg／m3；v為流體平均速度，m／s；，為特征長度，m；∥為流體動力粘度，N．s／m2。
(2)湍流定義
流體在流動中存在多種流動狀態(tài)，湍流為其中一種流動狀態(tài)。當流體的流動速度很小時，其流線呈現(xiàn)光滑的趨勢，壓強場和速度場隨時間和空間的變化不明顯，各層流體之間沒有明顯的混合現(xiàn)象，而且層次鮮明，流體的這種流動狀態(tài)稱為層流；隨著流動速度逐漸增加，其流線逐漸開始擺動，而且流體流速越大，其擺動幅度越大，此時流體的流動狀態(tài)為過渡流；當流體流速增加到一定的程度時，流線開始變的模糊難辨，流體質(zhì)點雜亂無章，既有沿主流的縱向運動，又有與之對應的橫向運動，同時層流中逐漸出現(xiàn)渦流，不同流層之間的界限被渦流所打破各層流體呈現(xiàn)不規(guī)則的流動方式，流體的這種流動狀態(tài)稱為湍流，也可稱為紊流或擾流。
上文所述的雷諾數(shù)將流體的流動狀態(tài)分為兩種，即層流和湍流，流動狀態(tài)主要取決于其雷諾數(shù)與臨界雷諾數(shù)Re。的關系。Re。約為2000～3000，當Re小于Re。時，流動狀態(tài)為層流；反之，流動狀態(tài)為湍流。本文中空氣速度為lOm／s。由因此，本文中空氣的流動狀態(tài)為湍流，在CFD數(shù)值模擬過程中應該使用相應的湍流模型。
(3)CFD數(shù)值模擬軟件中的湍流模型
由于本文中空氣的流動狀態(tài)為湍流，因此需要在CFD數(shù)值模擬軟件中選擇合適的湍流模型，目前計算流體力學主要的數(shù)值模擬方法有直接數(shù)值模擬(DirectNumerical Simulation—DNS)、大渦模擬(Large Eddy Simulation．LES)和基于雷諾時均方程的數(shù)值模擬(Reynolds Averaged Navier Stokes．RANS)三種方法。如今商用計算軟件里提供的湍流模型有Spalart．Allmaras、k-e和“∞三種模型，其中k-e模型主要包括標準肛s模型、RNG k-e模型和Realizable k-e模型等，“∞模型包括標準缸∞模型、壓力修正k-co模型、大漩渦模擬模型等，湍流數(shù)值模擬方法如圖2．3所示。
上述湍流模型并非對所有流體求解問題都是通用的，選擇湍流模型時應結(jié)合流體特征、計算精度要求、計算機性能等幾個方面進行綜合考慮。綜合分析仿真需求，本文選擇k-e模型作為湍流模型，下面對其進行簡要介紹，融￡模型中流體的連續(xù)方程和動量方程分別如下式所示：
浙江大學碩士學位論文第二章Savonius風機廠風機空氣動力學基礎及CFD理論基礎上式中，物為有效黏度；B為體積總和；p’為修正壓力，其表達式為：式(2．15)中，以表示湍流黏度，1-6與湍動能耗散率和湍動能呈一定關系‘421，其關系如下式所示：以：ep—k2 (2．17)湍動能和湍動能耗散方程如下式所示：以、e。、e：為常數(shù)，而只是與黏性力和浮力有關的源項，其方程.
本章主要針對Savonius風機廠風機葉片優(yōu)化研究中所應用的基本理論進行介紹，包括Savonius風機廠風機空氣動力學基礎和計算流體力學(CFD)理論基礎，其中空氣動力學基礎部分主要介紹了Savonius風機廠風機工作的基本原理、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及風機廠風機研究的基本理論貝茨理論，計算流體力學理論基礎部分則主要介紹了CFD數(shù)值模擬中應用的流體守恒方程以及常用的湍流模型。