離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片氣動優(yōu)化研究
利用NUMECA 軟件對一離心風(fēng)機(jī)的孤立葉輪進(jìn)行氣動優(yōu)化研究，將原始葉片的葉型中弧線進(jìn)行優(yōu)化，以提高葉輪的絕熱效率。共進(jìn)行了3 種不同方式的優(yōu)化，采用單一變量法對不同優(yōu)化方式的優(yōu)化效果進(jìn)行了比較分析。優(yōu)化后，絕熱效率都有不同程度的提高，有效地削弱了流動分離，減小了流動損失，流況得到不同程度的改善，表明以數(shù)值氣動優(yōu)化來提高葉片氣動性能的方法是有效的。不同優(yōu)化方式的優(yōu)化效果不同，表明參數(shù)化方式以及優(yōu)化工況點(diǎn)的選取對優(yōu)化效果有重要影響。
1、前言
離心式風(fēng)機(jī)作為風(fēng)機(jī)中使用最廣的類型，已廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個行業(yè)，是眾多工業(yè)部門輸送氣體介質(zhì)的核心機(jī)械和主要的能耗設(shè)備，故研究和改進(jìn)離心式風(fēng)機(jī)，提高其工作效率，對節(jié)約能源和有效配置都有著非常重要的意義。而葉輪是風(fēng)機(jī)的核心氣動部件，葉輪內(nèi)部流動的好壞直接決定著整機(jī)的性能和效率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體力學(xué)計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，利用計(jì)算流體動力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行模擬分析，已逐步成為了解流體機(jī)械內(nèi)部流動狀況的重要手段，實(shí)踐表明，這種數(shù)值計(jì)算方法能夠得出很準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。并且利用數(shù)值優(yōu)化方法對其分析，可得到最優(yōu)組合，提高葉輪的性能。
基于以上認(rèn)識，根據(jù)葉輪機(jī)械全三維流場數(shù)值計(jì)算技術(shù)，利用NUMECA 的Design3D 全三維葉輪機(jī)械氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺，對一離心通風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)其葉型中弧線，以提高其性能，并對不同優(yōu)化方式的優(yōu)化效果進(jìn)行比較分析。
2、優(yōu)化對象
研究的風(fēng)機(jī)葉輪采用的是弧形等厚葉片，葉片為后向式結(jié)構(gòu)，共12 個葉片。葉片前緣徑向位置為170mm，葉片后緣徑向位置為255mm。圖1給出了風(fēng)機(jī)葉輪的三維造型。
(a) 全葉輪(b) 隱藏前盤后的葉輪
圖1 風(fēng)機(jī)葉輪的三維造型
3、數(shù)值計(jì)算方法
數(shù)值計(jì)算采用了NUMECA/FINE 軟件包的Euranus 求解器。采用Jameson 的有限體積差分格式并結(jié)合Spalart-Allmaras 湍流模型對相對坐標(biāo)系下的三維雷諾時(shí)均Navier-Stokes 方程進(jìn)行求解。S-A 湍流模型是一方程湍流模型，被認(rèn)為是連接代數(shù)零方程Baldwin-Lomax 模型和兩方程模型的橋梁，由于其具有較好的魯棒性，并且能夠處理復(fù)雜流動的能力，因此近年來應(yīng)用很廣泛，尤其是在航空航天領(lǐng)域。采用顯式四階Runge-Kutta 法時(shí)間推進(jìn)以獲得定常解，為提高計(jì)算效率，采用了多重網(wǎng)格法、局部時(shí)間步長和殘差光順等加速收斂措施。采用單通道計(jì)算，網(wǎng)格質(zhì)量高，同時(shí)為避免計(jì)算誤差，所有的流場計(jì)算都采用同一套網(wǎng)格模板。計(jì)算設(shè)置及邊界條件如表1 所示。
表1 計(jì)算設(shè)置
6、結(jié)語
通過優(yōu)化結(jié)果和流場的對比分析表明，各種優(yōu)化方式優(yōu)化后，葉片的氣動性能在優(yōu)化點(diǎn)處都得到了提高，流動損失減小了，流場狀態(tài)得到改善，尤其是葉片頂部的流動分離得到有效控制。而優(yōu)化后的全工況的性能卻是各有所長、各有所短。不同參數(shù)化形式，優(yōu)化后獲得的結(jié)果不同。優(yōu)化工況點(diǎn)的選取對優(yōu)化結(jié)果( 尤其是全工況性能) 也有很大影響，若要獲得更優(yōu)的全工況性能，可進(jìn)行多工況點(diǎn)優(yōu)化。
