离心风机叶轮叶片气动优化研究.pdf

2 0 1 3年第 4 l卷第 7期 流体机械 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 7 0 0 2 3 0 5 离心风机叶轮叶片气动优化研究 邓敬亮 ， 楚武利 西北工业大学， 陕西西安 7 1 0 0 7 2 摘要 利用 N U ME C A软件对一离 ti 风机的孤立叶轮进行气动优化研究， 将原始叶片的叶型中弧线进行优化 ， 以提高 叶轮的绝热效率。共进行了3种不同方式的优化， 采用单一变量法对不同优化方式的优化效果进行了比较分析。优化 后， 绝热效率都有不同程度的提高， 有效地削弱了流动分离， 减小了流动损失 ， 流况得到不同程度的改善， 表明以数值气 动优化来提高叶片气动性能的方法是有效的。不同优化方式的优化效果不同， 表明参数化方式以及优化工况点的选取 对优化效果有重要影 响。 关键词 气动优化； 离心风机； 中弧线； N U ME C A 中图分类号 T H 4 3 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 0 6 I nv e s t i g a t i o n o n Bl a de Ae r o dy na mi c Op t i m i z at i o n o f a Ce n t r i f ug e Fa n D EN G J i n g l i a n g ， C HU Wu l i N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c al U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e i n v e s t i g a t i o n o n i s o l a t e d i mp e l l e r a e r o d y n a mi c o p t i mi z a t i o n o f a c e n t ri f u g e f a n i s c a r r i e d o n t h e s o f t wa r e NUME - C A ． O p t i m i z e t h e c a mb e r o f t h e o ri g i n a l b l a d e ， j u s t t o i m p r o v e t h e a d i a b a t i c e f f i c i e n c y o f t h e i mp e l l e 7 ． I n t h i s p a p e r ， t h r e e d i f f e r e n t w a y s o f o p t i mi z a t i o n a r e d o n e，a n d u s e t h e s i n g l e v a ri a b l e me t h o d t o c o mp e a n d a n a l y s i s t h e d i ff e r e n t o p t i mi z e d r e s u l t s ． Aft e r o p t i mi z a t i o n， t h e a d i a b a t i c e ffic i e n c y h a s i mp r o v e d a n d t h e fl o w l o s s h a s r e d u c e d ． T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e me t h o d o f n u me ri c al a e r o d y n a mi c o p t i mi z a t i o n t o i mp r o v e t h e b l a d e a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e i s e f f e c t i v e ． T h e d i ff e r e n t r e s u l t s o f d i ff e r e n t o p t i mi z a t i o n me t h o d s ， i n d i c a t e t h a t t h e p a r a me t e r i z a t i o n a n d t h e o p t i mi z a t i o n o p e r a t i n g p o i n t h a v e a s i g n i f i c a n t i mp a c t o n t h e o p t i mi z e d e f f e c t ． Ke y wo r d s a e r o d y n a mi c o p t i mi z a t i o n ； c e n t ri f u g a l b l o w e r ； c a mb e r ； NU ME CA 1 前言 离心式风机作为风机 中使用最广 的类 型， 已 广泛应用于经济建设的各个行业， 是众多工业部 门输送 气 体介 质 的核 心机 械 和 主要 的 能耗设 备 I 2 J ， 故研究和改进离心式风机 ， 提高其工作效 率， 对节约能源和有效配置都有着非常重要的意 义。而叶轮是风机 的核心气动部件 ， 叶轮 内部流 动的好坏直接决定着整机的性能和效率 。随着计 算机技术和流体力学计算技术的迅速发展， 利用 计算流体动力学的数值计算方法进行模拟分析， 已逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手 段 ， 实践表明， 这种数值计算方法能够得出很准确 的计算结果 J 。并且利用数值优化方法对其分 收稿 日期 2 0 1 2 0 71 9 修稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 9 析 ， 可得到最优组合 ， 提高叶轮的性能- 4 ] 。 基于 以上认识 ， 根据叶轮机械全三维流场数 值计算技术 ， 利用 N U M E C A的 D e s i g n 3 D全三维 叶轮机械气动优化设计平 台， 对一离心通风机 叶片进行优化 ， 改进其 叶型 中弧线 ， 以提 高其 性 能 ， 并对不 同优化 方式 的优化 效果 进行 比较 分 析 。 2优化对象 研究的风机叶轮采用的是弧形 等厚 叶片 ， 叶 片为后 向式结构， 共 1 2个叶片。叶片前缘径 向位 置为 1 7 0 m m， 叶片后缘径 向位置为 2 5 5 m m。图 1 给出了风机叶轮的三维造型。 F L UI D MACHI NE RY V o 1 ． 4 1， N o ． 7， 2 0 1 3 顶 a 全叶轮 b 隐藏前盘后的叶轮 图 1 风机叶轮的三维造型 3 数值计算方法 数值计算采用了 N U M E C A ／ F I N E软件包的 E u r a n u s 求解器。采用 J a m e s o n的有限体积差分 格式并结合 S p al a r t A l l m a r a s湍流模型对相对坐 标系下的三维雷诺 时均 N a v i e r S t o k e s 方程进行 求解。s A湍流模型是一方程湍流模型， 被认为 是连接代数零方程 B a ld w i n L o m a x模型和两方 程模型的桥梁， 由于其具有较好的鲁棒性， 并且能 够处理复杂流动的能力 ， 因此近年来应用很广泛 ， 尤其是在航空航天领域 。采用显式 四阶 R u n g e K u t t a 法时间推进以获得定常解， 为提高计算效率， 采用了多重网格法、 局部时间步长和残差光顺等加 速收敛措施。采用单通道计算， 网格质量高， 同时 为避免计算误差， 所有的流场计算都采用同一套网 格模板。计算设置及边界条件如表 1 所示。 表 1 计算设置 流体工质 P e r f e c t G a s 流动模型 定常， 湍流 NS方程， SA湍流模型。 转速 2 9 2 0 r ／ m i n 边 进口 给定总温2 9 3 K， 总压 1 0 1 3 2 5 P a 界 出口 给定平均背压或给定流量 ， 条 根据不同工况设定 件 固壁 绝 热 ，恒定转速为 2 9 2 0 r ／ m i n 4 优化方法设计 通过对叶型中弧线进行优化 ， 提高 叶轮的绝 热效率， 所以优化的目 标函数设置为 尽量提高效 率 ， 限定流量为原始叶轮对应点的流量 ， 同时限制 压力 压力尽量不低于原始叶轮的压力 。 本文 采用 的优 化工 具是 N U ME C A 软件 的 D e s ig n 3 D模块， 基于近似函数技术， 根据数据库 生成的样本， 采用人工神经网络建立几何优化变 量与气动 目标参数之间的近似 函数关 系， 在此基 础上 ， 通过遗传算法等数值优化算法进行优化 ， 预 测出最优解 ， 并用 C F D流场计算来验证 。如此循 环迭代， 直到符合精度要求。 参数化定义了几何体的表达方式， 参数化方 式不同， 优化时叶片自由扰动方式也就不同， 所以 不同的参数化方式也会得出不同的优化结果。单 工况点优化时， 并不能保证 叶轮的全工况性能 ， 所 以工况点的选取对优化结果也有很大影响。本文 的优 化 方式 中共涉 及 2种 参数 化方 式 S i mp l e B e z i e r曲线和高阶 B e z i e r曲线 和 2种优化工况 点 设计点和某个非设计点 。各种优化方式设 置如表 2所示。 表 2 各种优 化方式设 置 目标函 名称 参数化方式 优化工况点 数设定 优化 S i m p l e B e z i e r 曲 标准进 口条件设计点 方式 1 线参数化中弧线 m 3 ． 5 0 k g ／ s 优化设计 优化 高阶 B e z i e r 曲线 标准进 口条件设计点 提高效率 限定流量 方式 2 参数化中弧线 m 3 ． 5 0 k g ／ s 优化设计 限制压力 优化 高阶 B e z i e r 曲线 标准进口条件非设计点 方式 3 参数化中弧线 m 5 ． 0 0 k g ／ s 优化设计 5 优化结果及讨论分析 5 ． 1 优化 后 的叶型 利用上述优化方式进行优化设计 ， 得到 3种 不同的优化叶型， 如图2 所示。 原始 叶型 优化 非设 图 2 优 化前后各种 叶型对 比 优化 中保持叶片前缘与原始叶片一致 ， 从图 中可 以看出 ， 方式 2得到的叶型与原 始叶片相差 最大 ， 方式 1 优化后叶片后部向吸力面凸出， 方式 3优化后叶片中部 向压力面凸出了。 5 ． 2 优化工况点下性能对比分析 优化后， 在优化工况点上的性能参数如表 3 所示。方式 1 和方式 2的优化工况点都是设计 点， 对应流量均为 3 ． 5 0 k g ／ s ， 优化后其绝热效率 分别提高了 1 ． 7 8 ％和 3 ． 3 7 ％。方式 3的优化工 2 0 1 3年第 4 l卷第 7期 流体机械 2 7 耗角度来看， 在满足效率和全压的前提下， 功率越 小越节约能源 。 比较方式 1和方式 2 ， 可知不 同参数化方式 对优化结果的影响。方式 1和方式 2都是在设计 点工况下进行优 化 的， 方 式 1采用 S i mp l e B e z i e r 曲线参数化中弧线， 方式 2采用高阶 B e z i e r 曲线 参数化 中弧线 。从优化后几何型线和性能曲线可 知 ， 二者的优化结果还是差别很大。S i m p l e B e z i e r 曲线局部性能劣于高阶 B e z i e r曲线 ， 微 调性上高 阶 B e z i e r曲线更加灵活。 比较方式 2和方式 3， 可知优化 工况点 的选 取对优化结果的影响很大。方式 2和方式 3 都是 采用高阶 B e z i e r 曲线参数化中弧线的， 但两种方 式的优化工况点选取不 同， 分别为 3 ． 5 0 k g ／ s和5 ． 0 0 k g ／ s 。从优化结果来 看 ， 二者结果 的差别还是 很大的， 方式 2优化后将 叶轮工作流量范 围限制 在设计点附近 ， 此范围内各性能都 比较优越 ， 但这 是以牺牲大流量工作范围的性能为代价的。方式 3优化后扩大了叶轮的流量范围 ， 大 多数 流量下 性能 良好 ， 但在设计点工况下性能不佳 。所 以， 若 要得到更好的全工况性能， 需要合理选取优化工 况点 ， 或者进行多工况点优化。 6结语 通过优化结果和流场的对 比分析表 明， 各种 优化方式优化后 ， 叶片的气动性能在优化点处都 得到 了提高 ， 流动损失减小 了， 流场状态得 到改 善 ， 尤其 是叶片顶部 的流动分离得到有效控制 。 而优化后的全工况的性能却是各有所长、 各有所 短。不同参数化形 式 ， 优 化后获得 的结 果不 同。 优化工况点的选取对优化结果 尤其是全工况性 能 也有很大影 响， 若要获得更优 的全工况性能 ， 可进行多工况点优化。 参考文献 [ 1 ] 翟瑞虎， 焦金焱， 田华， 等． 提高离心通风机叶轮性 能浅述[ J ] ．风机技术 ， 2 0 0 8 ， 6 5 7 - 6 0 ． [ 2 ] 李庆宜． 通风机[ M] ． 西安 西安交通大学 出版社， 2 00 5 1 1 0 6． [ 3 ] 张顾钟． 离心风机优化设计方法研究 [ J ] ． 风机技 术 ， 2 0 1 1 ， 5 2 6 3 0 ． [ 4 ] 廖玉龙． 基于数字模拟方法的离心通风机性能优化 设计[ J ] ． 通用机械 ， 2 0 1 0 ， 1 1 8 2 - 8 5 ． [ 5 ] 王晓峰， 席光， 王尚锦． 离心压缩机叶轮的响应面优 化设 I 设计方法 [ J ] ． 工程热物理学报， 2 0 0 4 ， 2 5 3 4 0 8 41 0 ． [ 6 ] 王昊 ， 吴亚东， 欧阳华． 基于数值模拟的离心风机性 能优化[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 5 5 ． 9 ． [ 7 ] 吴俊峰， 陈启明， 朱晓农． 基于 C F D的离心通风机结 构优化方法与试验对比[ J ] ． 风机技术， 2 0 0 9 ， 5 1 4． 1 8． [ 8 ] 于静梅， 李颂， 郝俊忠． 离心式风机流动特性的数值 分析[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 9 4 1 4 4 ． [ 9 ] 付磊 ， 曾皴林， 唐克伦， 等． 管壳式换热器壳程流体 流动与传热数值模拟[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 1 2 ， 2 9 5 3 9．44． 作者简介 邓敬亮 1 9 8 8一 ， 男 ， 硕士研究 生 ， 主要从 事叶轮 机械气动热力学研究 ， 通讯地址 7 1 0 0 7 2陕西西 安市西北 工业大 学动力与能源学院。 上接第 4 3页 参考文献 [ 1 ] G B ／ T 1 2 2 4 1 2 0 0 5安全阀 一般要求[ s ] ． 北京 中 国标准出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 周震． 安全阀[ M] ． 北京 中国标准出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 美 J ． L ． 莱昂斯． 阀门技术手册[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 4 ] 陆培文． 实用阀门设计手册[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] J B ／ T 6 4 4 22 0 0 8压缩机用安全阀[ S ] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 李奇 ， 金丽琼， 谭跃进 ， 等． 小型高压空压机改型设 计研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2 ， 4 0 1 2 5 8 1 ． [ 7 ] 郭崇志， 朱寿林． 安全阀超压泄放瞬态动力学数值 模拟研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2 ， 4 0 2 2 3 ， 3 9 _ 4 4 ． [ 8 ] 喻健 良， 闰兴清， 陈金义， 等． 爆破片与安全阀串联 组合泄放特性[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 2 ， 2 9 8 1 0 1 4 ． 作者简介 柳国庆 1 9 6 2一 ， 男， 工程师， 主要从事高压压缩 机和阀门的研究 ， 通讯地址 2 4 6 0 0 1安徽 安庆市 中兴 大街 1 1 8号 中国人民解放军第四八 一二工 厂。