Savonius风机厂风机空气动力学基础及CFD理论基础
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(5)叶片高径比
(6)叶片扭角
在传统Savonius风机厂风机叶片的基础上，将每个叶片以转轴为中心，旋转一定角度即可形成扭曲叶片，叶片扭角为单个叶片的整体旋转角度，即叶片上下缘切线之间的角度。
本文提出一种叶片扭曲变形的策略，并引入一种新的叶片结构参数，即叶片弧度，结合叶片扭角、叶片重叠比、叶片高径比等叶片结构参数，完成叶片的变异设计，对Savonius风机厂风机的动转矩输出性能进行优化。
2．2 CFD理论基础
2．2．1计算流体力学概述
计算流体力学(Computational FluidDynamics，即CFD)是利用电子计算机强大的计算功能结合离散数值模拟方法对流体的黏性流动及无粘绕流的特性进行数值模拟分析的学科，黏性流动主要包括边界层流动和湍流等，无粘绕流主要包括超声速流、跨声速流以及低速流等。数值模拟方法的功能就是通过计算机对流体流动的微分方程进行数值求解，得到流场的离散分布情况以供分析使用。
本文中涉及的旋转机械仿真技术也已随着CFD技术的发展而得到广泛应用，旋转机械由于其复杂的运动方式导致流体的流动状态错综复杂，因此针对旋转机械的课题一般研究难度较大。以往的研究主要利用模型实验法和经验公式法等方法，但模型实验法试验周期较长，成本较高，而且不能对细节进行充分的研究，经验公式法则只能依据传统经验对流体流动状态进行计算，同样不能描述流场流动细节。而基于CFD的旋转机械仿真技术则由于其较短的研究周期、较低的研究成本、不断更新的数据库、可以实现流场细节的精准描述等优点而在旋转机械的研究中得到了极大的应用。
2．2．2湍流理论
(1)雷诺数Re
在流体运动中表示惯性力与黏滞力比值的无量纲数Re称为雷诺数，它一般被用来表征流体的流动情况，是划分流体运动状态的基本参数，定义如下式所示:上式中，P为流体密度，kg／m3；v为流体平均速度，m／s；，为特征长度，m；∥为流体动力粘度，N．s／m2。
(2)湍流定义
流体在流动中存在多种流动状态，湍流为其中一种流动状态。当流体的流动速度很小时，其流线呈现光滑的趋势，压强场和速度场随时间和空间的变化不明显，各层流体之间没有明显的混合现象，而且层次鲜明，流体的这种流动状态称为层流；随着流动速度逐渐增加，其流线逐渐开始摆动，而且流体流速越大，其摆动幅度越大，此时流体的流动状态为过渡流；当流体流速增加到一定的程度时，流线开始变的模糊难辨，流体质点杂乱无章，既有沿主流的纵向运动，又有与之对应的横向运动，同时层流中逐渐出现涡流，不同流层之间的界限被涡流所打破各层流体呈现不规则的流动方式，流体的这种流动状态称为湍流，也可称为紊流或扰流。
上文所述的雷诺数将流体的流动状态分为两种，即层流和湍流，流动状态主要取决于其雷诺数与临界雷诺数Re。的关系。Re。约为2000～3000，当Re小于Re。时，流动状态为层流；反之，流动状态为湍流。本文中空气速度为lOm／s。由因此，本文中空气的流动状态为湍流，在CFD数值模拟过程中应该使用相应的湍流模型。
(3)CFD数值模拟软件中的湍流模型
由于本文中空气的流动状态为湍流，因此需要在CFD数值模拟软件中选择合适的湍流模型，目前计算流体力学主要的数值模拟方法有直接数值模拟(DirectNumerical Simulation—DNS)、大涡模拟(Large Eddy Simulation．LES)和基于雷诺时均方程的数值模拟(Reynolds Averaged Navier Stokes．RANS)三种方法。如今商用计算软件里提供的湍流模型有Spalart．Allmaras、k-e和“∞三种模型，其中k-e模型主要包括标准肛s模型、RNG k-e模型和Realizable k-e模型等，“∞模型包括标准缸∞模型、压力修正k-co模型、大漩涡模拟模型等，湍流数值模拟方法如图2．3所示。
上述湍流模型并非对所有流体求解问题都是通用的，选择湍流模型时应结合流体特征、计算精度要求、计算机性能等几个方面进行综合考虑。综合分析仿真需求，本文选择k-e模型作为湍流模型，下面对其进行简要介绍，融￡模型中流体的连续方程和动量方程分别如下式所示:
浙江大学硕士学位论文第二章Savonius风机厂风机空气动力学基础及CFD理论基础上式中，物为有效黏度；B为体积总和；p’为修正压力，其表达式为:式(2．15)中，以表示湍流黏度，1-6与湍动能耗散率和湍动能呈一定关系‘421，其关系如下式所示:以:ep—k2 (2．17)湍动能和湍动能耗散方程如下式所示:以、e。、e:为常数，而只是与黏性力和浮力有关的源项，其方程.
本章主要针对Savonius风机厂风机叶片优化研究中所应用的基本理论进行介绍，包括Savonius风机厂风机空气动力学基础和计算流体力学(CFD)理论基础，其中空气动力学基础部分主要介绍了Savonius风机厂风机工作的基本原理、主要结构参数以及风机厂风机研究的基本理论贝茨理论，计算流体力学理论基础部分则主要介绍了CFD数值模拟中应用的流体守恒方程以及常用的湍流模型。