风机数值模拟现状

1.3风机数值模拟现状

叶轮机械的内部流场结构极为复杂,对于其内部流动的研究,一方面要采用先进的测量技术和现代流场显示技术如PIV、LDV等进行试验研究[32]33],另一方面随着计算机技术的突飞猛进,还可以依靠数值模拟的手段来对叶轮机械内部流场进行CFD计算【34]【35]。通过分析内部流场的模拟结果,我们可以从中提取很多内部流动细节,如流场的速度、压力和旋祸等信息,进而我们将会充分认识的其内部流动的损失的关键点进而加以解决。Laursen等[36]【37]利用实验测试、叶素动ft理论和CFD模拟分别获得某石家庄风机厂功率,验证了 CFD技术预测兆瓦级风机叶片气动性能的可行性。Chalothom等基于CFD实现了不同来流风速下非扭曲叶片攻角的优化设计;另外,人们对风机的研究主要集中在大中型风机丨对小型风机的研究则相对较少,并且多是综述模式[41],对其气动性能的研究还很少。一般的,叶轮直径小于300mm的风机被称为小型风机【42】。近年来,小型风机在自动控制、电子设备、医疗设备等通风散热领域得到了广泛的应用,并且随着科学技术的发展,它们还将在更大的领域发挥作用,因此,提高小型风机气动性能对于国民生产有着重大意义。郑剑飞【43]以某小型低压大流量通风机为模型,通过对其内部流场进行数值模拟,说明了叶片不同周向弯曲对小型风机气动性能的影响,并且分析了叶片弯曲带来这些影响的原因。至今,CFD技术已经成为分析叶片气动性能的
主要工具之一。

1.3.1渐流模型

目前,计算流体力学CFD在内部流场的网格生成、数值计算的离散方法和流场运动的求解方法等各方面的技术已曰趋成熟,针对各种不同的叶轮机械流动情况相应的建立了不同的端流计算模型【M[45】。流体数值模拟方法可分为直接数值模拟和非直接数值模拟。直接数值模拟直接求解瞬时端流控制方程,对存储空间和计算机的性能都有较高的要求,目前还不适用于工程实际应用。Reynolds方程平均法是一种典型的非直接数值模拟方法,其不求解瞬时N-S方程,而是对时均化的N-S方程进行求解,不仅可以解决计算量庞大的问题,而且可应用于工程实际。Reynolds平均法中因为引入了关于瑞流脉动值的Reynolds应力项-pw丨,为了封闭方程,对Reynolds应力进行了假设。常用的Reynolds应力假设模型有两大类,Reynolds应力模型和祸袖性模型。Reynolds应力模型又包括Reynolds应力方程模型和代数应力方程模型两种模型;祸粘性模型又包括零方程模型、一方程模型和两方程模型,各种k-s模型就是属于两方程模型的范畴[46]。

1.3.1.1标准k-s模型

标准k-s模型是标准的两方程模型,是在牲祸模型计算瑞动枯度的基础上,引入关于瑞流耗散率S后形成的。瑞流耗散率的定义标准k-s模型是针对瑞流充分发展的高雷诺数流动建立的,主要是基于瑞流动能和沪散率。当雷诺数较低时,近壁区域的流动并不充分,瑞流脉动的影响可能小于分子的枯性,在贴近壁面的边界层,流动处于层流,计算会出现误差。另外当标准k-e模型应用于强旋流、弯曲壁面流动和弯曲流线流动时,由于模型对各个雷诺应力的分量,假定瑞动粘度时相同,即M为各向同性的标量,而在弯曲流线下,瑞流实际是各向异性的,从而造成计算结果产生一定的失真。

1.3.1.2 RNG k-e 模型

为了解决标准k-s模型强旋流计算失真等问题,提出了 RNGk-s模型。在此模型中,通过对大尺度运动的潘动枯度的修正,考虑了平均流动中的旋转流动等小尺度的影响。RNGk-s模型在S方程中增加一项,考虑了瑞流漩祸,反映了主流的时均应变率,能够更好地处理高应变率和流线弯曲程度较大的流动。但是RNGk-s模型仍是针对高雷诺数流动的瑞流模型,对于近壁区的流动,其低雷诺数流动枯性的解析仍须用壁面函数法来解决。

1.3.1.3 Realizable k-e 模型

标准k-s模型在时均应变率特别大的情形下,可能导致计算负应力,为使流动符合物理定律,需要对正应力进行数学约束,为此提出了带旋流修正的Realizable k-e模型。与标准k-s模型相比,Realizable k-E模型在浦动枯度的计算公式中引入与旋转和曲率有关的内容。S方程中倒数第二项不具有奇异性,瑞动能k值很小或者为零。Realizablek-s模型已经广泛应用于包含射流和混合流的自由流动、边界层流动、管道内流动和带有分离的流动,对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好计算精度,对于低诺数计算也能提髙一定的精度。张激佳【47]等人对三种k-s模型下的离心泵外特性预测进行对比发现,釆用Realizablek-s模型的数值仿真结果与试验吻合最好。无论是标准k-s模型、RNGk-s模型,还是Realizable k-s模型,都是针对充分发展的潘流.它们只能用于求解处于湍流核心区的流动,在壁面区,流动情况变化很大,k-s模型不对枯性影响比较明显的区域进行求解,而是通过壁面函数将壁面上的物理量与端流核心区内的相应物理量联系起来。通过壁面函数法和高雷诺数输流模型配合,可以成功解决整个流场的流动计算问题。

1.3.1.4 S-A满流模型

S-A端流模型是相对简单的求解端动粘性的一方程模型.它包含了 一组新的方程,在这些方程里不必要去计算和剪应力层厚度相关的长度尺度[48】。S-A模型对于低雷诺数模型是十分有效的,需要妥善处理边界层中粘性影响的区域。当网格划分不是特别理想的时候,S-A模型将使用壁面函数.在基于粗网格的粗略计算中,满流的计算精度不是关键因素的时候,S-A模型将是很好的选择。S-A模型相对于两方程模型计算量小、稳定,是较经济的浦流模型。标准k-s两方程模型由于要求解额外的方程,比S-A模型耗费更多的计算机资源。带旋流修正的Realizablek-s模型th标准k-s模型稍%多一点。由于控制方程中额外的功能和非线性,RNG k-s模型比标准k-s模型多消耗10-15%的CPU时间。S-A模型的不足是不能预测均匀衰退的各向同性潘流。