基于航空技术的轴流风机CFD智能仿真优化_麻肖妃.pdf

成都航空职业技术学院学报Journal of Chengdu Aeronautic Polytechnic2023 年 3 月第 1 期（总第 134 期）Vol.39 No.1（Serial No.134）2023 航空科学与技术 一、引言目前轴流风机广泛应用于暖通空调设备、纺织、矿井、冶金、电站等各个领域中，它是空气调节及通风系统的主要运动设备，对于设备的整体性能有着非常直接的影响。相对于离心风机，轴流风机具有流量大、压头低，结构部件相对简单的优点，但同时也存在叶片造型复杂，设计难度高的问题。目前轴流风机的传统设计方法很大程度上要依赖物理试验，这种方法设计成本相对较高，设计周期也较长，已逐渐无法适应日益快速变化并且不断提高的设备对噪音、能效等多方面的性能要求。随着仿真技术优化计算的不断提升，航空轴流风扇的计算已经取得不错的研究成果1-3，这些都可以用于提高民用轴流风机效率。不同的轴流风扇使用不同优化方案，可以取得较为理想的设计效果4-9。实验验证结果也表明，仿真结果可以合理准确地预测性能曲线，从而减少大量的制造和测试10。轴流风机在不同工况下，也就是在不同的转速、基于航空技术的轴流风机CFD智能仿真优化麻肖妃1，潘旭光2，孙瑜珮1，张欣莉3，陈 转3，李 航4（1.成都航空职业技术学院，成都 610100；2.浙江三新科技有限公司，浙江 绍兴 312000；3.中国兵器工业集团西安北方光电科技防务有限公司，西安 710043；4.四川航空股份有限公司，成都 610200）摘要：利用航空技术对空调用轴流风机进行CFD仿真，建立了可灵活快速变形的轴流风机参数化模型，通过研究不同转速、风量、压力等工况条件下不同风机设计参数对轴流风机性能的影响，形成了一套适用于实际生产设计场景中的轴流风机智能优化平台，并对某型号风机在22000m3/h流量的工况下的性能进行优化设计。优化后模型效率提升明显，其静压效率由35.3%提高至40.8%，全压效率由59.6%提高至65.7%。关键词：轴流风机CFD仿真优化设计流量压力中图分类号:V211.45文献标识码：B文章编号：1671-4024（2023）01-0027-06CFD Intelligent Simulation and Optimization of Axial Draught Fan Based on Aeronautical TechnologyMA Xiaofei1,PAN Xuguang2,SUN Yupei1,ZHANG Xinli3,CHEN Zhuan3,LI Hang4（1.Chengdu Aeronautic Polytechnic,Chengdu,Sichuan,610100;2.Zhejiang Sanxin Technology Co.Ltd.,Shaoxing,Zhejiang,312000;3.Xian North Optoelectronic Technology Defense Co.Ltd.China Arms Industry Group Xi an Shanxi,710043;4.Sichuan Airlines Company Limited,Chengdu,Sichuan,610200）AbstractCFD simulation for air conditioning is carried out by using axial flow draught fan and aeronautical technology,and thena fast and flexibly changing model of axial flow draught fan is established.By studying the influence of different fan design parame-ters on the performance of axial flow draught fan under different working conditions,such as speed,air volume and pressure,a set ofintelligent optimization platform for axial flow draught fan that is suitable for real production and design is formed.The performanceof a certain type of fan is optimized under the working condition of 22000m3/h flow rate.The efficiency of the optimized model is im-proved significantly,with the static pressure efficiency increasing from 35.3%to 40.8%and the total pressure efficiency from 59.6%to 65.7%.Key Wordsaxial flow draught fan,CFD simulation,optimal design,flow rate,pressure收稿日期：2022-09-28基金项目：2021年度四川省科技计划（重点研发）资助（2021YFG0183）；2022年度四川省科技计划（重点研发）资助（2022YFG0211）；2022年成都航空职业技术学院校级自然科研项目资助（06221035）。作者简介：麻肖妃（1981），女，浙江缙云人，硕士，讲师，研究方向为航空机械维修和设计。27 基于航空技术的轴流风机CFD智能仿真优化风量、压力的要求下，设计参数对于风机性能影响的改变是巨大的。同一参数设计在高转速下可能获得良好效果，但是在低转速下效果可能就不尽如人意。现有市场上对轴流风机的多重需求，要求企业能够积累每次设计、生产过程中积累的宝贵的数据和经验并建立自己的数据库，使之成为这核心竞争力。一套良好的仿真优化方案能够节省大量的测试成本，是企业的宝贵资源。目前对于直径较大的轴流风机，如何快速打造测试原型样品依然是生产设计中面临的问题。一种能快速准确对此类轴流风机进行针对性优化设计的方法正成为风机制造企业越来越现实而迫切的需求。二、结构与建模（一）CFD仿真计算模型针对空调用轴流风机的研究，利用CFD仿真，需要制定与其相适应的仿真方案，以保证计算结果更符合实际运行情况，为优化工作提供可靠数据支撑，如图1所示，具体内容包括：（1）寻找最佳网格划分方案，保证计算精度，缩短计算时间；（2）确定最佳适用的湍流模型，噪音模型，计算边界条件，以提高计算可靠性；（3）制定合理的后处理及计算结果统计分析方案，快速比较方案优劣。图1 轴流风机CFD仿真分析模型（二）参数化建模传统三维模型每次在需要进行设计变动时，都需要依靠工程人员手工对模型就行修改，效率较低，不利于大规模、快速的设计变形，与此不同的是，参数化模型依靠各个参数的约束来控制整个产品的模型形态，因此后续可以通过改变参数设置（图2），快速获得变形后的三维模型，大大提高CFD仿真的迭代及优化效率，轴流风机参数化模型的建立具体内容包括：（1）轴流风机的参数化模型建立，提取关键控制参数；（2）分析不同参数对风机性能的影响，例如叶片角度，叶片宽度，翼型弧度等等（3）建立参数化模型与CFD仿真计算的智能连接，搭建智能化优化平台；图2 轴流风机参数化模型轴流风机的关键参数主要有：外径、轮毂比、叶片数、叶片扭度、叶片翼型、叶片弯度、叶片掠度，具体参数大小见表1。其中：（1）叶片扭度：根据不同转数，计算合理的扭度，减少气流的径向运动，减少损失；（2）叶片翼型：根据设计参数，选择适合的翼型，合理升阻比翼型库+参数化调整；（3）叶片弯度：叶片弯度指叶片在圆周向方向上的弯曲，分为前弯和后弯，减小二次涡；（4）叶片掠度：叶片掠度指叶片在轴向方向的弯曲，分为前掠和后掠，减小气流分离现象。表1 原始风机设计参数编号R1R2R3R4R5R6R7半径mm215250297348400425455安装角32.029.431.630.729.629.129.4弦长L/mm178.4231.4282.7356.6416.6436.2436.6fmax0.580.560.680.670.690.700.70Bmax/mm23293834312828（三）自动化优化平台轴流风机自动化优化平台是一套将参数化模型、CFD仿真分析计算、智能化优化算法有机的结合起来协同工作平台（图3和图4）。目的是实现仅仅通过改变参数设置，系统就可以根据预先建立的轴流风机参数化模型自动生成新的模型，同时调用CFD仿真计算程序对新模型进行分析计算，得到计算结果后结合优化算法对参数不断进行优化改进，从而形成一个自动优化的循环，然后通过快速迭代，多轮优化后，自动输出该阶段获得的最优设计，从而实现产品设计的的自动化、智能化。图3 智能优化算法示意图 28 基于航空技术的轴流风机CFD智能仿真优化图4 智能化优化平台界面三、结果分析（一）CFD仿真计算与实验数据对比经过多次尝试和调整，同时通过与实验数据对比，确定了CFD仿真分析的方案，在该仿真方案下，单次模型仿真计算时间约为6小时，同时计算精度较为准确，与实验的误差详见表2。具体CFD仿真方案如下：（1）CFD仿真计算软件：Star-CCM+9.02；（2）网格划分：总网格数量约 320万，边界层网格4层；（3）湍流模型：RealizableK-EpsilonModel，Two-LayerAlly+WallTreatment3。边界条件：进口压力自由进口；出口流量出口（给定设计流量）。表2 仿真数据与实验数据对比项目实验CFD仿真误差%转速rpm713713-流量m3/h2203822000-全压Pa129.13129.60.4%静压Pa76.6372.9-2.6%内功率W1326.91280.4-2.5%静压效率%35.35%35.28%-0.2%全压效率%59.58%61.84%2.8%通过上表我们可以看出，在目前的仿真条件下，与实验数据对比，仿真得到的全压误差为0.4%，静压误差为-2.6%，内功率误差为-2.5%，静压效率误差为-0.2%，全压效率误差为2.8%，误差范围都在+5%范围之内，符合实际工程的需求，意味着该CFD仿真计算得到的结果基本可信，可以在一定程度代替实验在作为评判设计优劣的标准，从而大大缩短产品性能验证所需要的时间，提高设计效率，节约资金成本。现有轴流风机模型的仿真计算可视化结果见图5，分别为叶片压力分布图与流场分布图。与实验不同的是，物理实验我们通常只能得到简单的测试数据结果，很难对流场的细节进行观察和分析，但依靠CFD仿真分析，从图中可以清晰直观地观察目前风机运行情况下的流场，包括具体流动和局部细节，从而更容易做出进行针对性修改。(a)叶片压力分布(b)流场分布图5 轴流风机仿真模型（二）风机结构优化1.风机骨架风机骨架的影响可以将原始轴流风机作为基准，通过对比不同骨架模型的CFD仿真计算结果，来比较设计修改的优劣，不同风机骨架的设计模型见图6。图6 骨架设计（五个模型）计算结果表明，骨架的存在还是有一定的作用，也产生了一部分的风量和压力，简单删除骨架的修改会影响风机性能。将原骨架改成轮毂后，静压有略微的提升，说明轮毂式的风机设计更有利于风机的性能。表3 不同骨架设计对应的风机效率编号原始2345转速rpm713713713713713流量m3/h2200022000220002200022000全压Pa129.6118.5123.0112.9130.1静压Pa72.962.568.156.773.5内功率W1280.41216.41243.31200.81282.9静压效率%35.28%31.39%32.44%28.83