Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及CFD理論基礎(chǔ)

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 (5)葉片高徑比
葉片高徑比即為風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片的高度與葉片直徑的比值：上式中，日為風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片的高度，m；d為葉片直徑，m。
(6)葉片扭角
在傳統(tǒng)Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片的基礎(chǔ)上，將每個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)，對(duì)Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能進(jìn)行優(yōu)化。
2．2 CFD理論基礎(chǔ)
2．2．1計(jì)算流體力學(xué)概述
計(jì)算流體力學(xué)(Computational FluidDynamics，即CFD)是利用電子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能結(jié)合離散數(shù)值模擬方法對(duì)流體的黏性流動(dòng)及無(wú)粘繞流的特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析的學(xué)科，黏性流動(dòng)主要包括邊界層流動(dòng)和湍流等，無(wú)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(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)流體流動(dòng)的微分方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到流場(chǎng)的離散分布情況以供分析使用。
本文中涉及的旋轉(zhuǎn)機(jī)械仿真技術(shù)也已隨著CFD技術(shù)的發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于其復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式導(dǎo)致流體的流動(dòng)狀態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜，因此針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的課題一般研究難度較大。以往的研究主要利用模型實(shí)驗(yàn)法和經(jīng)驗(yàn)公式法等方法，但模型實(shí)驗(yàn)法試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，成本較高，而且不能對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行充分的研究，經(jīng)驗(yàn)公式法則只能依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，同樣不能描述流場(chǎng)流動(dòng)細(xì)節(jié)。而基于CFD的旋轉(zhuǎn)機(jī)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(kù)、可以實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)細(xì)節(jié)的精準(zhǔn)描述等優(yōu)點(diǎn)而在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的研究中得到了極大的應(yīng)用。
2．2．2湍流理論
(1)雷諾數(shù)Re
在流體運(yùn)動(dòng)中表示慣性力與黏滯力比值的無(wú)量綱數(shù)Re稱為雷諾數(shù)，它一般被用來(lái)表征流體的流動(dòng)情況，是劃分流體運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度，m；∥為流體動(dòng)力粘度，N．s／m2。
(2)湍流定義
流體在流動(dòng)中存在多種流動(dòng)狀態(tài)，湍流為其中一種流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流體的流動(dòng)速度很小時(shí)，其流線呈現(xiàn)光滑的趨勢(shì)，壓強(qiáng)場(chǎng)和速度場(chǎng)隨時(shí)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(dòng)狀態(tài)稱為層流；隨著流動(dòng)速度逐漸增加，其流線逐漸開始擺動(dòng)，而且流體流速越大，其擺動(dòng)幅度越大，此時(shí)流體的流動(dòng)狀態(tài)為過(guò)渡流；當(dāng)流體流速增加到一定的程度時(shí)，流線開始變的模糊難辨，流體質(zhì)點(diǎn)雜亂無(wú)章，既有沿主流的縱向運(yùn)動(dòng)，又有與之對(duì)應(yīng)的橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(dòng)方式，流體的這種流動(dòng)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(dòng)狀態(tài)分為兩種，即層流和湍流，流動(dòng)狀態(tài)主要取決于其雷諾數(shù)與臨界雷諾數(shù)Re。的關(guān)系。Re。約為2000～3000，當(dāng)Re小于Re。時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為層流；反之，流動(dòng)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(dòng)狀態(tài)為湍流，在CFD數(shù)值模擬過(guò)程中應(yīng)該使用相應(yīng)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(dòng)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(jì)算流體力學(xué)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(shí)均方程的數(shù)值模擬(Reynolds Averaged Navier Stokes．RANS)三種方法。如今商用計(jì)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(biāo)準(zhǔn)肛s模型、RNG k-e模型和Realizable k-e模型等，“∞模型包括標(biāo)準(zhǔn)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(duì)所有流體求解問(wèn)題都是通用的，選擇湍流模型時(shí)應(yīng)結(jié)合流體特征、計(jì)算精度要求、計(jì)算機(jī)性能等幾個(gè)方面進(jìn)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(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，融￡模型中流體的連續(xù)方程和動(dòng)量方程分別如下式所示：
浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及CFD理論基礎(chǔ)上式中，物為有效黏度；B為體積總和；p’為修正壓力，其表達(dá)式為：式(2．15)中，以表示湍流黏度，1-6與湍動(dòng)能耗散率和湍動(dòng)能呈一定關(guān)系‘421，其關(guān)系如下式所示：以：ep—k2 (2．17)湍動(dòng)能和湍動(dòng)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(guān)的源項(xiàng)，其方程.
本章主要針對(duì)Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化研究中所應(yīng)用的基本理論進(jìn)行介紹，包括Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論基礎(chǔ)，其中空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)部分主要介紹了Savonius風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)工作的基本原理、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)研究的基本理論貝茨理論，計(jì)算流體力學(xué)理論基礎(chǔ)部分則主要介紹了CFD數(shù)值模擬中應(yīng)用的流體守恒方程以及常用的湍流模型。