基于optimus的通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口集成優(yōu)化計(jì)算

1、基于optimus的通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口集成優(yōu)化計(jì)算趙立峰王東屏/大連交通大學(xué)摘要：利用三維數(shù)值模擬的方法，對(duì)離心式通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析，運(yùn)用多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)軟件 optimus,集成流體計(jì)算軟件對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。結(jié)果表明，通風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口形狀對(duì)其性能 冇明顯影響，在改動(dòng)較小的情況下，可以顯著提高通風(fēng)機(jī)性能。關(guān)鍵詞：離心式通風(fēng)機(jī) 進(jìn)風(fēng)口 集成優(yōu)化中圖分類號(hào)：th432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：b文章編號(hào)：1006-8155 (2006) 01-0029-03integrated and optimum calculation for inlet of fan based on optimus fl

2、atabstract： inlet flow field of centrifugal fan is calculated and analyzed using 3d numerical simulation, and optimization design of inlet is completed with optimus flat. the result shows the shape of inlet affects its performance remarkably, and fan performance can be improved remarkably by slight

3、change.key words： centrifugal fan inlet optimization1引言離心式通風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力特性除了取決于葉輪內(nèi)部的結(jié)構(gòu)z外，還與通風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口形狀密切相關(guān)， 進(jìn)風(fēng)口又稱為集風(fēng)器，其形狀對(duì)風(fēng)機(jī)的性能有很大的影響。傳統(tǒng)上，多是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)其尺寸，対設(shè) 計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)要求很高，設(shè)計(jì)效果不理想，不能滿足fi益提高的節(jié)能和壞保要求?，F(xiàn)在，在國(guó)外使用多學(xué)科 優(yōu)化軟件平臺(tái)，集成計(jì)算流體力學(xué)的軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，已經(jīng)成為設(shè)計(jì)流體機(jī)械的先進(jìn)手段。本文采用 fluent6.1計(jì)算通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)，但是fluent軟件本身并不具有優(yōu)化功能，為了達(dá)到優(yōu)化風(fēng)機(jī)進(jìn)口形狀的目 的，可借助集

4、成優(yōu)化平臺(tái)optimus5.0。optimus5.0是多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化軟件，具有強(qiáng)大的集成優(yōu)化能 力，町以集成多種cae/cad軟件。本文用其集成gambit2和fluent6.1,對(duì)北京某廠的離心式通風(fēng) 機(jī)的進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高其性能的口的。2計(jì)算模型2.1模型的建立和網(wǎng)格生成現(xiàn)以北京某廠的離心通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)彖，該風(fēng)機(jī)的葉輪半徑224mm, 32個(gè)葉片，在cad軟件中建立 幾何模型，然后輸入到fluent的前處理軟件gambit中，其整休模型如圖1所示。圖1通風(fēng)機(jī)模型由于兒何模型復(fù)雜，網(wǎng)格劃分采用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。相對(duì)于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的適應(yīng)能力 強(qiáng)，局部加密也比較容易，網(wǎng)格質(zhì)

5、量直接影響結(jié)果的收斂性。在梯度大的地方，網(wǎng)格必須保證足夠細(xì)密。 同時(shí)，為了減少網(wǎng)格總數(shù)，加快計(jì)算，還應(yīng)減少小網(wǎng)格的數(shù)量，對(duì)通風(fēng)機(jī)不同區(qū)域分割時(shí)，葉輪部分的網(wǎng) 格較小，蝸殼的部分較大。由于葉片數(shù)冃較多，所以網(wǎng)格總數(shù)己有40多萬(wàn)個(gè)。2.2模型定義在fluent中，離心通風(fēng)機(jī)一類的旋轉(zhuǎn)設(shè)備問(wèn)題可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系來(lái)處理，因此要把模型分成 定子和轉(zhuǎn)子兩類區(qū)域。旋轉(zhuǎn)葉輪區(qū)域和蝸殼區(qū)域的相互作用，通過(guò)多參考坐標(biāo)系模型(mulitiplc reference frame,簡(jiǎn)稱mrf)來(lái)解決。在mrf方法中，轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格在計(jì)算時(shí)應(yīng)保持靜止，在慣性坐標(biāo)系中是以 作用的哥氏力和離心力來(lái)進(jìn)行定常計(jì)算，而定子區(qū)域

6、則是在慣性坐標(biāo)系中進(jìn)行定常計(jì)算。在兩個(gè)區(qū)域的交 界面處交換慣性坐標(biāo)系下的流體參數(shù)，保證了交界血的連續(xù)性，也達(dá)到了用定常計(jì)算來(lái)研究非定常問(wèn)題的 id的。流動(dòng)進(jìn)口：定義為壓力進(jìn)口邊界，它適合于可壓縮流體，也可以用于不可壓縮流體。定義總壓為0。 由于是亞聲速，靜壓可忽略。流動(dòng)出口：定義為壓力出口邊界，定義出口壓力相對(duì)于大氣壓力為0,即沒冇附加的壓力作用。 湍流模型采用k-e雙方程模型。葉片、蝸殼、進(jìn)風(fēng)口均取歴面邊界條件。離心通風(fēng)機(jī)的跡口氣流為軸向，出口為徑向，氣流為穩(wěn)定流，由于氣流流動(dòng)的最人馬赫數(shù)小于0.3, 町按不町壓縮流體處理。葉輪和蝸殼、其他界面上均采用了無(wú)滑移壁面條件及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。2.3計(jì)

7、算結(jié)果及分析該模型在工作站級(jí)計(jì)算機(jī)上，迭代500次，并行計(jì)算大約lh就基本收斂了，若繼續(xù)計(jì)算，結(jié)果也不 會(huì)冇多大差別。計(jì)算得到的出口流量為5.515kg/s,!ll 口總壓為2588.54pa,與試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。 進(jìn)風(fēng)口為圓錐形，空氣進(jìn)入葉輪前，必須市進(jìn)風(fēng)管的軸向轉(zhuǎn)一個(gè)90°的角，氣流才會(huì)產(chǎn)牛分離，這種分離 間接影響了葉輪的功能山。如圖2所示，氣流通過(guò)進(jìn)風(fēng)口后，氣流沖向葉輪后部，發(fā)生不應(yīng)冇的沖擊，而r葉倫前部發(fā)生回流， 會(huì)出現(xiàn)很大的渦區(qū)，能量損火很大。可以預(yù)見，通過(guò)改變進(jìn)風(fēng)口的形狀，可改變氣流進(jìn)入葉輪的流動(dòng)，減 小渦區(qū)，還可提高葉輪前部的利用效率及通風(fēng)機(jī)的效率。圖2優(yōu)化前

8、模型子午面流場(chǎng)3集成優(yōu)化3.1在opt imus中建立集成流程jou文件2 通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量，以通風(fēng)機(jī)的效率為目標(biāo)，設(shè)計(jì)optimus流程。求解器1是gambit 的求解器，求解器2是fluent的求解器，jou文件1是gambit使用的命令文件，jou文件2是fluent使用 的命令文件(見圖3)。f矢呈祂矩%尸惕箱仁竺里變屋態(tài)jou文件1求解翻求解貉2結(jié)果文件出口出力”*出口說(shuō)呈圖3風(fēng)機(jī)計(jì)算集成流程3. 2建立命令文件建立可以提供給前處理軟件的命令流，其屮應(yīng)包含所有必要的信息，同時(shí)還須保證內(nèi)容簡(jiǎn)潔，注意設(shè) 計(jì)變量調(diào)整變化時(shí)不發(fā)生干涉，命令無(wú)法執(zhí)行等可能由于變量變化帯來(lái)的影響。

9、準(zhǔn)備好gambit使用的“jou 文件1”，包含進(jìn)風(fēng)口的兒何尺寸參數(shù)，將其作為設(shè)計(jì)變量。在0ptimus屮，默認(rèn)的變量變化范圍為其上卜 變化10%。同時(shí)輸出mesh文件作為fluent的輸入文件。在“求解器1”中寫入仿真代碼，調(diào)用gambit 程序。在前處理結(jié)束后，得到了所需要的流體計(jì)算模型，就可以通過(guò)fluent的命令流(text command)控制 fluent,把包含讀入模型、寫出文件、設(shè)置邊界條件、設(shè)置求解器等信息的fluent的jou文件作為控制求解 器2的“jou文件2”。為了加快計(jì)算速度，使用了并行計(jì)算，寫入了初始化、求解、顯示殘差、輸出結(jié)果 等命令。在求解器2中寫入仿真代碼，

10、用來(lái)控制fluent軟件的調(diào)用。通過(guò)計(jì)算得出計(jì)算結(jié)果，在fluent中 可以直接得到的結(jié)果有：出口流量、出口壓力、進(jìn)口壓力以及葉輪的扭矩。3.3建立結(jié)果處理文件最后是處理計(jì)算結(jié)果，可以取絕對(duì)值，也可以運(yùn)用公式加工，optimus提供了多種處理方法。把輸出 的結(jié)果匯集到"最后結(jié)來(lái)”，通過(guò)在其中寫入效率公式，就可以計(jì)算得到通風(fēng)機(jī)的效率。3.4優(yōu)化方法和結(jié)果分析采用設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法(doe)進(jìn)行計(jì)算，可以通過(guò)較少的試驗(yàn)次數(shù)，比較準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函 數(shù)的關(guān)系。設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法是一種設(shè)計(jì)空間探索技術(shù)，用來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行初步探索，可以減小優(yōu)化問(wèn)題的 計(jì)算規(guī)模。在optimus中提供多種doe技術(shù)

11、，包括拉丁方、隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、全參數(shù)、部分參數(shù)等。通 過(guò)對(duì)doe結(jié)果分析得知，只有減小截面尺寸的分析才是有效的，可以提高效率。因此， 把變量的變化范圍縮小，可以提高計(jì)算效率，減少計(jì)算吋間。在doe的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，optimus中提供了局部?jī)?yōu)化算法，如梯度算法和序列二次規(guī)劃算法、全 局搜索算法如白適應(yīng)遺傳算法；模擬退火法等。采用序列二次規(guī)劃算法，在設(shè)定的空間內(nèi)進(jìn)行了 7次迭代,圖4優(yōu)化迭代通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化冃標(biāo)效率有了顯著的提高，主要是出口的總壓提高較多。計(jì)算得到的進(jìn)風(fēng)口形狀 見圖5的右圖。圖5優(yōu)化前、后進(jìn)風(fēng)口形狀圖6優(yōu)化后模塑了午面流場(chǎng)圖5中左邊的i員錐形進(jìn)風(fēng)口為原模型的進(jìn)風(fēng)口，右邊為優(yōu)化計(jì)算

12、得到的進(jìn)風(fēng)口形狀。圖6屮得到的是 優(yōu)化后流場(chǎng)，與優(yōu)化前的模型流場(chǎng)對(duì)比（見圖2）可以看出，在葉輪進(jìn)風(fēng)口其他部位產(chǎn)生的“回流”明顯減 小，減少了能量損失，同時(shí)也有更多氣流由葉輪前部流出，提高了葉輪前部的利用，改善了氣流在渦殼內(nèi) 部的流動(dòng)。通過(guò)對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的優(yōu)化，在對(duì)原通風(fēng)機(jī)改動(dòng)很小的情況下，可以有效提髙通風(fēng)機(jī)的性能（見表1）, 出口總壓、流量等指標(biāo)也都有所提高，效率提高了 11.41%。表1岀口壓力/pa流量/(kg/s)效率/%優(yōu)化前模型2707.995.49634.78優(yōu)化后模型3288.525.98746.194結(jié)束語(yǔ)利用fluent軟件可以冇效模擬通風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)，計(jì)算出通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)。本文提出了使用多學(xué)科優(yōu)化 軟件與流體計(jì)算軟件集成，對(duì)離心式通風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算?？梢钥闯鲞M(jìn)風(fēng)口的形狀對(duì)通風(fēng)機(jī)性能 冇明顯的影響，尤其是進(jìn)風(fēng)口形狀與其他部件的匹配，只冇很好地匹配，才能減少能量損失。通過(guò)優(yōu)化分 析，可以在對(duì)原機(jī)型改動(dòng)較小的悄況下，明顯提髙通風(fēng)機(jī)的性能。由于只對(duì)通風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行了優(yōu)化， 沒有分析葉輪