离心风机叶轮叶片气动优化研究.pdf

2013年第41卷第7期
流体机械
文章编号:1005-0329(2013)07-0023-05
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710072
摘要:利用 NUMECA软件对一离心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; NUMIECA
中图分类号:TH432
文献标识码:A
doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2013.07.006
Investigation on Blade Aerodynamic Optimization of a Centrifuge Fan
DENG Jing-liang, CHU Wu-li
Northwestern Polytechnical University, Xi 710072, China)
Abstract: The investigation on isolated meller aerodynamic op miza ion of a centrifuge fan is carried on the software NUME
CA. Optimize the camber of the orignal blade, just to improve the adiabatic efficiency of the impeller. In this paper, three different
ways of optimization are done, and use the single variable method to compare and analysis the different optimized results. After
optimization, the adiabatic efficiency has improved and the flow loss has reduced. This indicates that the method of numerical aero-
dynamic optimization o im e blade a amic per ommance is e etive. The dif erent results of different optimization
methods, indicate that the parameterization and the op imization operating point have a significant impact on the optimized effect
aerodyne
namic optimization; centrifugal blower;camber; NUMECA
1前言
析,可得到最优组合,提高叶轮的性能-9。
基于以上认识,根据叶轮机械全三维流场数
离心式风机作为风机中使用最广的类型,已值计算技术,利用 NUMIECA的 Design3D全三维
广泛应用于经济建设的各个行业,是众多工业部叶轮机械气动优化设计平台,对一离心通风机
门输送气体介质的核心机械和主要的能耗设叶片进行优化,改进其叶型中弧线,以提高其性
备?,故研究和改进离心式风机,提高其工作效能,并对不同优化方式的优化效果进行比较分
率,对节约能源和有效配置都有着非常重要的意析。
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2优化对象
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,
研究的风机叶轮采用的是弧形等厚叶片,叶
已逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手片为后向式结构,共12个叶片。叶片前缘径向位
段,实践表明,这种数值计算方法能够得出很准确置为170mm,叶片后缘径向位置为255mm。图1
的计算结果。并且利用数值优化方法对其分给出了风机叶轮的三维造型。
收稿日期:2012-07-19修稿日期:2013-04-09
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FLUID MACHINERY
Vol,41,No.7、2013
测出最优解,并用CFD流场计算来验证。如此循
轮盖
环迭代,直到符合精度要求。
叶片
参数化定义了几何体的表达方式,参数化方
叶顶
底盘
叶根
式不同,优化时叶片自由扰动方式也就不同,所以
(a)全叶轮
(b)隐藏前盘后的叶轮
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
图1风机叶轮的三维造型
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( Simple
3数值计算方法
Bezier曲线和高阶 Bezier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
数值计算采用了 NUMECA/FINE软件包的置如表2所示。
Uranus求解器。采用 Jameson的有限体积差分
表2各种优化方式设
格式并结合 Spalart- Almaras湍流模型对相对坐
标系下的三维雷诺时均 Navier- Stokes方程进行
名称」参数化方式
优化工况点
目标函
数设定
求解。S-A湍流模型是一方程湍流模型,被认为优化「 Simple Bezier曲标准进口条件设计点
是连接代数零方程 Baldwin- Lomax模型和两方方式1线参数化中弧线(m=3.50ky)优化设
程模型的桥梁,由于其具有较好的鲁棒性,并且能优化高阶Beir曲线」标准进口条件设计点
提高效率
够处理复杂流动的能力,因此近年来应用很广泛
方式?参数化中弧线(m=3.50)优化设沙限定流量
限制压力
尤其是在航空航天领域。采用显式四阶 Runge
优化高阶 Bezier曲线标准进口条件非设计点
方式引参数化中弧线(m=5.00kg/s)优化设
Kutt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5优化结果及讨论分析
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。
5.1优化后的叶型
表1计算设
利用上述优化方式进行优化设计,得到3种
流体工质
Perfect Gas
不同的优化叶型,如图2所示。
流动模型「定常,湍流N-S方程,SーA湍流模型。
转速
原始叶型
2920r/min
边「进口
给定总温293K,总压101325Pa
优化方式3
非设计点高阶 Beier 6/7优化方式1
界条
simp
ealer
出口
给定平均背压或给定流量,
根据不同工况