離心風(fēng)機(jī)CFD模擬及改進(jìn)

1、2005 Fluent中國(guó)用戶大會(huì)論文集由于CFD計(jì)算可以相對(duì)準(zhǔn)確地給出流體流動(dòng)的細(xì)節(jié)，如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度 場(chǎng)等特性，因而不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流體產(chǎn)品的整體性能,而且很容易從對(duì)流場(chǎng)的分析 中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，所以在國(guó)外已經(jīng)逐步得到廣泛的應(yīng)用。另外，跨學(xué) 科組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也已經(jīng)成為復(fù)雜葉輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)平臺(tái)。如今,CFD技術(shù)運(yùn)用于風(fēng)機(jī)的實(shí)例在我國(guó)已不少見(jiàn)，但由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的 限制,模型過(guò)于簡(jiǎn)單。如單獨(dú)一個(gè)離心葉輪的流道或單獨(dú)算一個(gè)蝸殼;或運(yùn)用一個(gè)流 道與蝸殼迭代計(jì)算的方法研究風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，上述模型均忽略了由于蝸殼型線的非 對(duì)稱而導(dǎo)致葉輪各葉道流動(dòng)呈現(xiàn)的非對(duì)稱流動(dòng)特征，而且從離心風(fēng)機(jī)通

2、道內(nèi)流場(chǎng)分 析來(lái)看，各部件間的相互影響很嚴(yán)重，所以，必須充分考慮它們之間的相互影響，不能孤立地分別研究2。本文應(yīng)用Fluent流動(dòng)分析軟件，計(jì)算某型號(hào)離心通風(fēng)機(jī)全流場(chǎng)，詳細(xì)得到通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)情況，并根據(jù)氣動(dòng)流場(chǎng)，對(duì)葉輪前盤形狀和蝸殼出口部位等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，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FLUENT,優(yōu)化計(jì)算通 風(fēng)機(jī)進(jìn)口型線，比較集成優(yōu)化型線與單獨(dú)用Fluent反復(fù)計(jì)算的結(jié)果,兩者基本接近，說(shuō)明集成優(yōu)化是可信的。將流動(dòng)區(qū)域分為三部分:通風(fēng)機(jī)進(jìn)口部分、葉輪和蝸殼。進(jìn)口部分和蝸殼是靜 止元件，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，采用gambit進(jìn)行參數(shù)化建模。整個(gè)通風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格數(shù)為80萬(wàn)，網(wǎng) 格

3、采用四面體和六面體混合的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)。氣體在通風(fēng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)時(shí),它的氣動(dòng)性能在很大程度上由它本身的造型決定。由 于流道形狀、哥氏力和粘性力的影響，通風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)十分復(fù)雜。一般認(rèn)為氣 流在葉輪內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和在靜止元件內(nèi)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為定常流,而且通風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣體 壓強(qiáng)變化不大，可忽略氣體的壓縮性。因此，通風(fēng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)是三維、定常、不可壓 縮流動(dòng)。求解相對(duì)穩(wěn)定的、三維不可壓縮雷諾平均N-S方程,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的 K ?兩方程模型,采用一階迎風(fēng)格式離散方程，用SIMPLE方法求解控制方程。在 OPTIMUS提供的優(yōu)化算法中，采用序列二次規(guī)劃算法。3數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析3.1 原通風(fēng)機(jī)建模及數(shù)值模擬原有離

4、心通風(fēng)機(jī)存在風(fēng)量不足、風(fēng)壓不均勻等問(wèn)題，所以 首先對(duì)原通風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部氣流流動(dòng)狀況，找出問(wèn)題所在。圖1 原通風(fēng)機(jī)子午面的速度分布表2原通風(fēng)機(jī)回轉(zhuǎn)面的速度分布葉輪出口部位的速度 分布很不均勻，在葉輪前半部分，葉輪不出風(fēng)反而進(jìn)風(fēng),所以此處有較多逆流存在。 觀察葉輪子午面上速度分布如圖1所示,可以看到葉輪出口明顯的逆流現(xiàn)象。風(fēng)機(jī) 出風(fēng)口有較多逆流現(xiàn)象，如圖2所示。通過(guò)上述流場(chǎng)仿真計(jì)算,可以確定原通風(fēng)機(jī)的 氣動(dòng)性能很不好。分析氣動(dòng)流場(chǎng)，認(rèn)為性能差的原因主要基于三個(gè)方面：1葉片進(jìn)口 部位缺乏導(dǎo)流部分，氣體流動(dòng)的流線不能折轉(zhuǎn)，所以造成葉片前半部分壓強(qiáng)低，產(chǎn)生 逆流。由于葉輪出口有較多逆流

5、，導(dǎo)致進(jìn)入蝸殼的氣流速度不均勻。2原模型葉輪 采用前向葉片，葉輪的前盤采用平前盤。平前盤制造簡(jiǎn)單，但對(duì)氣流的流動(dòng)情況有不 良影響3。3通風(fēng)機(jī)蝸殼出口的面積過(guò)大，所以在蝸殼出口處壓力過(guò)低而產(chǎn)生較多 的逆流。3.2通風(fēng)機(jī)改型優(yōu)化計(jì)算優(yōu)化是對(duì)通風(fēng)機(jī)改型以得到較好氣動(dòng)性能的過(guò)程。針對(duì)原通風(fēng)機(jī)模型氣動(dòng)流場(chǎng)中存在的問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)上作一些 相應(yīng)修改。3.2.1改進(jìn)模型A針對(duì)原通風(fēng)機(jī)模型計(jì)算中存在的葉片前半部分逆流 現(xiàn)象嚴(yán)重的問(wèn)題，將葉輪前盤改為弧線型，使計(jì)算結(jié)果改善。但由于將葉輪的前盤改 為弧形，而使葉輪出口寬度減小,所以為了不降低流量，將葉輪的軸向尺寸增加。葉 輪出口寬度增加到252mm。如此改動(dòng)后，葉輪沿

6、子午面速度分布如圖3所示。改為 弧形前盤，對(duì)氣流進(jìn)行導(dǎo)流，則氣動(dòng)性能改善。與原模型相比,通風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)壓增 加24.9%,出口流量增加17%,軸功率增加9.4%,效率增加7.6%。2005 Fluent中國(guó) 用戶大會(huì)論文集90氣動(dòng)性能有所改善,但軸功率增加。通過(guò)觀察通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流 的流動(dòng)情況，葉輪進(jìn)口部位的流動(dòng)得到好轉(zhuǎn)，但蝸殼出口部位的流動(dòng)仍然不好，蝸殼 出口仍然存在著逆流現(xiàn)象。3.2.2改進(jìn)模型B在模型A的基礎(chǔ)上，把蝸殼出口部位 的尺寸減小,消除了蝸殼出口逆流的現(xiàn)象。蝸殼出口截面的位置沒(méi)有改變，但尺寸減 小。出口風(fēng)量有所減小，但轉(zhuǎn)矩減小，軸功率減小，出口總壓增加，效率提高?？梢?jiàn)氣 動(dòng)特性有很

7、大的提高。原蝸殼模型改進(jìn)模型B圖3蝸殼改動(dòng)前后z=-0.2壓力分 布蝸殼出口改動(dòng)之后，出口截面尺寸減小，質(zhì)量流量有所下降，但蝸殼出口逆流面減 少，效率提高7.4%,軸功率減小12%。說(shuō)明改動(dòng)使通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣動(dòng)流場(chǎng)得到較大改 善。3.2.3改進(jìn)模型C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) 之外，還與通風(fēng)機(jī)的進(jìn)口形狀密切相關(guān)，進(jìn)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。在改進(jìn)模型B的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善葉輪進(jìn)口的流動(dòng)情況。對(duì)進(jìn)口管 道處做成縮放型，從而與葉輪輪蓋處的曲線對(duì)接，使流動(dòng)平緩地從軸向轉(zhuǎn)向徑向使進(jìn) 口氣流緩慢從軸向向徑向過(guò)渡。通風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)130萬(wàn)。通過(guò)多次改變進(jìn)氣管形狀計(jì)

8、 算，最終得到較好模型。改進(jìn)模型的氣動(dòng)性能大為改善,通風(fēng)機(jī)出口總壓增加14.1%, 出口流量增加6.9%,效率提高8.21%,軸功率增加0.1%。所以通風(fēng)機(jī)進(jìn)口部位型線 對(duì)氣流的導(dǎo)向作用非常關(guān)鍵。若把物體制成流線型，可使邊界層的分離點(diǎn)后移，甚至 不發(fā)生分離，阻力系數(shù)大大減小。在此，一方面減小阻力，另一方面對(duì)氣流流動(dòng)起導(dǎo) 向作用，使葉輪進(jìn)口速度分布均勻，流動(dòng)狀況好轉(zhuǎn)。2005 Fluent中國(guó)用戶大會(huì)論文 集91圖4改進(jìn)模型C沿葉輪子午面速度分布圖5改進(jìn)模型C回轉(zhuǎn)面速度分布圖 6通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)軌跡在子午平面上，流動(dòng)被很好的導(dǎo)向。由于蝸殼的存在，使 得每一個(gè)流道內(nèi)的速度和壓力分布是非對(duì)稱的。表

9、一模型改進(jìn)性能參數(shù)一覽表出口 總壓(Pa)出口流量(kg/s)轉(zhuǎn)矩(Nm)軸功率(W)效率原始模型2014 5.294 122.7 38033.4 22.9% 改進(jìn)模型 A 2515.9 6.193 134.3 41600 30.5% 改進(jìn)模型 B 2951.5 5.746 117.9 36539 37. 9% 改進(jìn)模型 C 3368.8 6.141 118.1 36607 46.1%通過(guò)上述通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改變，多方案比較，改型后的葉輪氣動(dòng)性能改善。葉輪 出口和蝸殼出口沒(méi)有逆流,出口流量均勻。出風(fēng)量和風(fēng)壓有所提高,效率提高,軸功 率基本小于或等于原模型的軸功率。與原模型相比，通風(fēng)機(jī)的出口流量增加

10、16%,出 口總壓增加67.3%,軸功率下降3.8%,效率增加23.2%。4基于OPTIMUS與FLUENT 的離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)口優(yōu)化在數(shù)值化的今天，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短,產(chǎn)品的成本需 要大幅降低，而產(chǎn)品的外延性以及拓展空間又需要極大的擴(kuò)展,這就需要廣泛地采用優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)值模擬通常能夠得到一些比較滿意的設(shè)計(jì)方案，但 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是最佳方案。CFD已完全具備求解用戶設(shè)定的一個(gè)確定問(wèn)題的能力，但是工 業(yè)界對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)有越來(lái)越強(qiáng)的需求。目前設(shè)計(jì)一分析一修改設(shè)計(jì)一分析的過(guò)程仍然 是不連續(xù)的、孤立的、人工干預(yù)的，而非自動(dòng)的。雖然分析人2005 Fluent中國(guó)用戶大會(huì)論文集92員可以 不厭其煩地

11、在屏幕前一次次修改設(shè)計(jì)參數(shù)以尋找最理想方案,但縮短開(kāi)發(fā)周期的壓 力通常要求分秒必爭(zhēng)，人們可能沒(méi)有更多的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行手工調(diào)整。最優(yōu)化 技術(shù)引入使人們從繁重的湊試工作中解脫出來(lái)，同時(shí)使設(shè)計(jì)水平也達(dá)到一個(gè)新的高 度。多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化軟件Optimus,具有強(qiáng)大的集成優(yōu)化能力,可以集成多種 CAE/CAD軟件。它可以自動(dòng)調(diào)度通用的流體分析、結(jié)構(gòu)分析軟件并由用戶設(shè)置其它 約束條件來(lái)完成一個(gè)特定優(yōu)化問(wèn)題的自動(dòng)求解過(guò)程，使人工的干預(yù)降低到最低限 度。這樣得到的優(yōu)化結(jié)果是符合目標(biāo)函數(shù)的最佳設(shè)計(jì)。根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的理念， 徹底顛覆了傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)過(guò)程，從所希望的目標(biāo)開(kāi)始，然后定義達(dá)到目標(biāo)所需的設(shè) 計(jì)參數(shù)。

12、本文運(yùn)用多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)軟件OPTIMUS集成流體計(jì)算軟件FLUENT6.1和 GAMBIT2. 1對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)口進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)建立在仿真分析的基礎(chǔ)上。一個(gè) 典型的優(yōu)化過(guò)程通常需要經(jīng)過(guò)以下的步驟來(lái)完成：（1）參數(shù)化建模，利用Fluent軟件 的參數(shù)化建模功能把將要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)（設(shè)計(jì)變量）定義為模型參數(shù)，為以后軟件 修正模型提供可能。（2）求解，對(duì)參數(shù)化模型流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，把狀態(tài)參數(shù)（約束 條件）和目標(biāo)函數(shù)（優(yōu)化目標(biāo)）提取出來(lái)供優(yōu)化處理器進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)。（3）優(yōu)化參 數(shù)評(píng)價(jià)，優(yōu)化處理器根據(jù)本次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)（設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)）與上次循 環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作比較之后確定該次循環(huán)目標(biāo)函

13、數(shù)是否達(dá)到了最小，或者是否達(dá) 到最優(yōu)，如果最優(yōu)，完成迭代，推出優(yōu)化循環(huán)圈，否則，進(jìn)行下步。根據(jù)已完成的優(yōu)化 循環(huán)和當(dāng)前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設(shè)計(jì)變量，重新投入循環(huán)。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法（DOE） 對(duì)響應(yīng)空間作初步的探索，然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。DOE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，本例通過(guò)對(duì)DOE結(jié) 果分析，可以看出，只有減小截面尺寸的分析是有效的，因此把變量的變化范圍縮小, 提高計(jì)算效率，減少計(jì)算時(shí)間。OPTIMUS中提供了局部?jī)?yōu)化算法如梯度算法、序列 二次規(guī)劃算法，全局搜索算法如自適應(yīng)遺傳算法、模擬退火法等4。本例采用了 序列二次規(guī)劃算法，在設(shè)定的空

14、間內(nèi)進(jìn)行了 7次迭代，圖7為離心風(fēng)機(jī)的效率隨迭代 次數(shù)變化。橫坐標(biāo)為迭代次數(shù)，縱坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)效率。圖7優(yōu)化迭代效率曲線通過(guò)對(duì) 通風(fēng)機(jī)入口優(yōu)化，在對(duì)原通風(fēng)機(jī)模型改動(dòng)很小的情況下，可以有效提高通風(fēng)機(jī)的性能, 出口總壓、流量等指標(biāo)都有很大的提高，效率提高11.41%圖8中的左邊圓錐形進(jìn)口 為原模型的進(jìn)口，右邊為優(yōu)化計(jì)算得到的進(jìn)口形狀。通過(guò)優(yōu)化，可以有效改善入口流 場(chǎng)的流動(dòng)，減少不必要的能量損失，明顯提高通風(fēng)機(jī)的性能。優(yōu)化結(jié)果形狀與本文 3.2.3提供的數(shù)值仿真優(yōu)化模型進(jìn)口形狀基本一致。人工重復(fù)每一個(gè)中間態(tài)的設(shè)計(jì) 分析工作最終求得一個(gè)優(yōu)化解的過(guò)程是漫長(zhǎng)和昂貴的，采用OPTIMUS可以提高效率， 節(jié)省時(shí)間

15、，盡快得到問(wèn)題的最優(yōu)解。2005 Fluent中國(guó)用戶大會(huì)論文集93圖8優(yōu) 化前后進(jìn)口形狀5總結(jié)根據(jù)上述對(duì)離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維粘性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬及其 改進(jìn)設(shè)計(jì),可以得出如下結(jié)論：1通過(guò)對(duì)原離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維粘性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值 模擬，認(rèn)為該風(fēng)機(jī)氣動(dòng)流場(chǎng)性能比較差，效率只有22.2%.。主要原因是：（1）葉輪葉 片進(jìn)口缺乏導(dǎo)流部分，所以造成葉片前半部分壓強(qiáng)低，產(chǎn)生逆流。由于葉輪出口有較 多逆流，從而導(dǎo)致蝸殼入口流動(dòng)有逆流，進(jìn)入蝸殼的氣流速度不均勻，惡化了氣流在 蝸殼內(nèi)的流動(dòng)。（2）原模型葉輪采用前向葉片，葉輪的前盤采用平前盤。平前盤制造 簡(jiǎn)單,但對(duì)氣流的流動(dòng)情況有不良影響。（3）由于蝸殼出口的面積過(guò)

16、大，所以在蝸殼 出口處的流動(dòng)不好，壓力過(guò)低所以產(chǎn)生較多的逆流。2通過(guò)上述通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的改 變,改型后的葉輪氣動(dòng)性能改善。葉輪出口和蝸殼出口沒(méi)有逆流，出口流量均勻。出風(fēng)量和風(fēng)壓有所提高，效率提高，軸功 率基本小于或等于原模型的軸功率。與原模型相比，通風(fēng)機(jī)的出口流量增加16%,出 口總壓增加67.3%,軸功率下降3.8%,效率增加23.2%。3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FLUENT,對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)口進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,可以有效提高 通風(fēng)機(jī)的性能，出口總壓、流量等指標(biāo)都有很大的提高，效率提高11.41%。優(yōu)化進(jìn) 口形狀與本文3.2.3中提供的改善模型進(jìn)口形狀基本一致。說(shuō)明采用OPT

17、IMUS優(yōu)化 計(jì)算是非常有效的,而且節(jié)省時(shí)間，能較快得到問(wèn)題的最優(yōu)解。參考文獻(xiàn)1 鄭孝東. 提高煤礦主通風(fēng)機(jī)效率的途徑及措施J.風(fēng)機(jī)技術(shù).2001,（5）:5355 2聞蘇平，張 楚華,李景銀.旋轉(zhuǎn)葉輪和葉片擴(kuò)壓器耦合的非定常流動(dòng)計(jì)算J.西安交通大學(xué)學(xué) 報(bào).2004,38（7）:754757 3沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)研究所、東北工學(xué)院流體機(jī)械教研室編著. 離心式通風(fēng)機(jī).機(jī)械工業(yè)出版社.1984,6 4 OPTIMUS5.0 Documentation,Nosis Inc 2004. Numerical Simulation and Optimization Design in a Centrifugal

18、Fan WANG Dong-ping,ZHAO Wen-zhong, ZHAO Li-feng College of Mechanical Engineering , Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China Abstract:There are not enough outflow and uniform pressure in a centrifugal fan. Therefore, its whole flow field is numerical investigated with Fluent, and SIMPLE algorithmic, so as to be optimal designed. The efficiency and outflow w