離心風機葉片三維反問題優(yōu)化設計

呂鋒

摘要：本文在基于離心風機葉片的三維反問題設計方案的前提下，結(jié)合試驗建議的把利益最大化的提升效益的設計方法，真正意義上相應各個方式，以至于做到最終優(yōu)化方法，建立離心風機葉片三維形狀的初步方案，進行更多層次的潤色、優(yōu)化。也分析了不同的環(huán)量以及一系列的指標參數(shù)間，交互過程中出現(xiàn)的對葉輪最終成效的影響，時輪的最終效率有較大影響，輪像地方的環(huán)量分布的形式對時輪效率影響則是非常重大的。

關鍵詞：離心風機反問題CFD優(yōu)化設計

1.前言：

把葉輪效率當做最后結(jié)果的最終優(yōu)化目標，以環(huán)量分布的分析參數(shù)當做優(yōu)化設計中的能動變量，控制相對參數(shù)，各種指標參數(shù)間交互過程中出現(xiàn)的對葉輪最終成效的影響，輪像地方的環(huán)量分布的形式對時輪效率影響則是非常重大的，時輪的最終效率有較大影響。本文以三維反問題設計方法與有關于CFD技術的算法為基礎理論，結(jié)合其他種試驗設計方法，響應正確方式方法優(yōu)化算法，完善離心風機葉片三維優(yōu)化的最終設計方法，并進行一些實例的分析，驗證方法可操作的可靠性。

2.離心風機葉片的影響因素

離心風機械內(nèi)部組織機構(gòu)的復雜性還是非常有深遠的影響。由此也時刻影響著葉輪的的最終效率，大量而且復雜的的CFD計算才可以得出最終優(yōu)化，評估優(yōu)化結(jié)果，但參數(shù)之間會產(chǎn)生相互影響的一系列變化，也當然會使得高性能的離心式在CFD的基礎上，優(yōu)化方法應用范圍具有一定不可控制的局限性，這也造成葉輪的設計、與制作具有很大的挑戰(zhàn)性。隨著計算機硬件技術越來越發(fā)達多數(shù)應用范圍也應該越來越廣，在反問題設計方法的基礎上，葉輪優(yōu)化設計過程中科學理論來支撐CFD的相關技術應用范圍越來越廣泛，這個具有絕對的優(yōu)勢，優(yōu)化設計方法最后變少，優(yōu)化設計變離心式當然自然而然成為葉輪機械設計的有力技術支撐[1]。

最終的優(yōu)化結(jié)果，通過CFD計算，其中的物理意義就相對更加的明確。反問題設計的方法，根據(jù)制定設計方案給定的模擬方式，能夠評價各種機械發(fā)生變數(shù)對葉輪性能造成的影響，從其環(huán)量以及其他方面的分布或壓力的是否平均分布，進行各類的設計計算過程，方式方法給定的環(huán)量的分布規(guī)則、壓力的是否平均分布，這個問題對于葉輪的性能所造成的影響最終的參數(shù)更為明確真實，也是便于這種一系列的理論分析，通過方式方法給定的合理環(huán)量的分布，能夠很高效的抑制空化以及二次流的現(xiàn)象發(fā)生。所以由此來看，在反問題設計方法的基礎上，葉輪優(yōu)化的設計反倒能夠減少計算量，很大的提高效率，最終獲得滿意的優(yōu)化結(jié)果[2]。

3.離心風機葉片三維反問題優(yōu)化設計方法：

3.1使用葉片形狀參數(shù)方法進行相對優(yōu)化

選擇葉片形狀參數(shù)拿出來整理歸納作為優(yōu)化設計設計其中變量。葉片形狀參數(shù)方法是通過反問題設計方法，也是一定程度的上環(huán)量分布參數(shù)化的總和結(jié)果。我們可以采用三段線還有其他的一些方法來決定整個軸面流道環(huán)量的分布問題。比如：決定的參數(shù)，其環(huán)量梯度順著軸面流道的輪轂、輪緣的按三段線的方式分布均勻：第一段我們稱為進口段，采用多項式的分布方法；第二段我們稱為中間段，采用直線的分布方法進行操作；第三段則稱為出口段，同第一段一樣，采用多項式的分布方法。由這類變數(shù)的研究可得，其環(huán)量由其梯度的綜合得出結(jié)論，輪轂與輪緣之間的相對軸面流道中的環(huán)量分布問題，則是根據(jù)輪轂和輪緣的環(huán)量進行相對比較后兒得到的。

4.離心風機葉片三維反問題優(yōu)化步驟

首先，需要采用正交試驗設計的方法，建立離心風機的基本參數(shù)，以創(chuàng)造樣本空間；然后，在采用三維反問題的設計方法對這個樣本空間的相對比較出有價值的試驗點進行各類評估以及計算，從而得到風機葉輪的最佳設計規(guī)劃；其中采用CFD計算方法，對得到的離心風機的葉輪模型進行全方面的性能方面評價；根據(jù)CFD的最終計算結(jié)果，建立出離心風機性能的一系列的參數(shù)的響應面的具體而客觀的函數(shù)關系式。當電機運轉(zhuǎn)起來，帶動風機葉輪的正常旋轉(zhuǎn)時，葉輪中的葉片之間的氣體也跟著流動，發(fā)生一定規(guī)律的旋轉(zhuǎn)，并且在離心力的作用下，排出這些流動的氣體，這樣周邊的氣體流變大，這樣會使氣體在流動的過程中，把動能轉(zhuǎn)換成靜壓能，隨著流體的不斷增壓，又能使靜壓能轉(zhuǎn)換為高效的速能，通再過排氣口排出其參與運動的氣體，此時葉輪中間會形成一定的負壓力，但由于入口承受著負壓的狀態(tài)，會使外界氣體在負大氣壓的作用下立即補入空氣，從而在葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)的作用下，重復的不斷排出、補入氣體的運動，從而達到連續(xù)鼓風的一個最終目的[3]。當然在同等功率下，風壓與風量的關系一般是成反比的。同等功率下，風壓增高，風量就會相對降低；反之風量增大，風壓就會大大降低，只有這樣，才可以充分的發(fā)揮電機最大的作用。對兩者的函數(shù)關系式，進行最優(yōu)的搜索結(jié)果加以分析，得出最優(yōu)的設計方案；最后得出的最好解決方案后，進行CFD計算核實，結(jié)果確實為最優(yōu)，則輸出最終結(jié)果；如果不是最優(yōu)，則將結(jié)算結(jié)果加到實驗研究的樣本空間。這樣，遵循動能轉(zhuǎn)換為勢能的變換原理，利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，把氣體加速、減速以及改變風的流向，使動能再轉(zhuǎn)換成勢能。在離心風機中，氣體從軸面進入葉輪，氣體隨之被葉輪轉(zhuǎn)動時改變方向，進入到擴壓器中，氣體改變了流動的方向所以造成一定量的減速，這個減速的作用，將動能轉(zhuǎn)換成勢能。因為其壓力的增高原因，主要取決與葉輪的成效，而后發(fā)生擴壓等一系列過程。

5.離心風機葉片三維反問題優(yōu)化設計實例

為了應證上述解釋過的離心式風機葉片的優(yōu)化設計方法，可以將這個方法應用到某一離心風機葉輪的更新設計中，其中主要性能的參數(shù)及要求如下：流92kg/s、轉(zhuǎn)2500r/min葉輪進出口靜壓>220kPa、輸人功率<3500kW。優(yōu)化設計過程中的葉輪軸面流道的形狀、大小、、體積、葉片厚度等一系列參考模型，過程中保持保持不變，葉片頭部進行修圓處理方法，尾部進行截斷處理方法。

從交互的一系列參考數(shù)的計算結(jié)果來看，輪轂以及輪緣處的環(huán)量梯度分布問題與各種參數(shù)之間的交互效應可以說是微乎其微，可以看作沒有影響，這一切表明輪毅和與緣處的參數(shù)以主要的構(gòu)成參數(shù)的影響為主，結(jié)合主效應結(jié)果的分析，可以知道輪轂進口處、輪緣處的環(huán)量梯度是否分布規(guī)律問題，對葉輪的最終產(chǎn)生著最顯著的影響。這一切實驗結(jié)果表明，參數(shù)環(huán)量梯度的分布規(guī)律中，直線部分的一系列的分布規(guī)律很明顯，對與葉輪的效率影響最為顯著。綜上所述，三段部分的環(huán)量梯度分布決定方法，是一種以直線段部分給定規(guī)律為主的方法，加以潤色，所以直線段的部分環(huán)量梯度分布問題會直接決定了離心風機葉片的質(zhì)量問題。在三維反問題設計方法的基礎上，葉片形狀的設計方法有了更加好的優(yōu)化方式，可以很高效的減少設計中存在的不確定變量[4]。于此同時，在設計優(yōu)化中的變量對葉輪的性也能有非常直接的影響，可以針對在這種情況，建立優(yōu)化變量以及確定葉輪性能參數(shù)的函數(shù)關系式，也便于計算與分析中的一系列優(yōu)化設計中所有變量對離心風機的性能產(chǎn)生影響。

6.結(jié)束語：

綜上所述，在三維反問題設計方法以及高準確度的CFD技術的合力基礎之下，結(jié)合以上實驗的設計方法，綜合最終優(yōu)化結(jié)果進行分析理解，運用這個技術建立離心風機葉片的氣體流動原理的優(yōu)化設計方案，進行了一系列的實例驗證和合理性進行分析，最終的優(yōu)化結(jié)果也充分的表明，這個方法是可以根據(jù)不同的性能要求，最快速高效地進行離心風機葉片的優(yōu)化設計。

參考文獻

[1]楊魏，王福軍，王宏.離心風機葉片三維反問題優(yōu)化設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2012，43（8）：105-109.

（作者單位：紹興上虞通風機有限公司）