基于CFD的大型節(jié)能工業(yè)吊扇葉片參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

張昊，張磊，王一平，高遠

（河海大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇常州 213022）

0 引言

大型工業(yè)節(jié)能吊扇具有覆蓋范圍大、轉(zhuǎn)速低、風(fēng)量大、高效節(jié)能等特點，一般應(yīng)用在大型倉庫、廠房、體育場館等領(lǐng)域[1]。近年來，隨著制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；蠓嵘I(yè)廠房區(qū)域面積不斷增加，導(dǎo)致大型節(jié)能工業(yè)吊扇的應(yīng)用需求激增。

現(xiàn)有學(xué)者對風(fēng)扇研究的取得了如下成果：李盛福等[2]通過正交實驗方法對汽車?yán)鋮s風(fēng)扇葉片進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，提升風(fēng)量降低消耗功率；席德科等[3]針對軸流風(fēng)機使用條件設(shè)計出系列風(fēng)機專用翼型，提高風(fēng)機氣動性能；鄭力雙等[4]探究了關(guān)于復(fù)合材料風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)形式，為葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計拓展新的方向；張向峰等[5]提出在扇葉內(nèi)填充聚氨酯填充塊并設(shè)置加強網(wǎng)，減輕了質(zhì)量，并使抗彎強度抗扭強度明顯增加；梁家駒等[6]公開了一種在葉片后側(cè)分布實心絮流翼大型工業(yè)用風(fēng)扇葉片，能夠模擬自然風(fēng)并均衡中心內(nèi)外風(fēng)力差距。大型節(jié)能工業(yè)吊扇中，影響吊扇氣動性能的主要是吊扇葉片形狀，而葉片的截面翼型又直接決定葉片的形狀[1]。在工業(yè)吊扇領(lǐng)域由于對翼型的研究很少，一般都是采用現(xiàn)有的低速航空用翼型，但是由于工況條件不同，如風(fēng)速、雷諾數(shù)差異太大，導(dǎo)致航空用翼型不能很好地發(fā)揮其最佳效果[3]。所以迫切需要根據(jù)工業(yè)吊扇的實際應(yīng)用條件，開發(fā)匹配度較高的工業(yè)吊扇葉片截面翼型。本文基于CFD流場分析方法和正交實驗方法，將葉片的參數(shù)作為變量因子、靜壓效率等作為因變量，設(shè)計多種翼型組合的工業(yè)吊扇模型并進行流場分析，對仿真結(jié)果做極差分析，最終得到靜壓效率較高的一組葉片參數(shù)，從而提高工業(yè)吊扇的性能。

1 節(jié)能工業(yè)吊扇仿真分析

1.1 節(jié)能工業(yè)吊扇參數(shù)化建模

節(jié)能工業(yè)吊扇主要由葉片、同步電動機、懸吊桿、防墜環(huán)等部件組成[1]。為了便于仿真分析，將吊扇模型簡化處理，只保留吊扇葉片和電動機部分。影響工業(yè)吊扇性能的主要參數(shù)包括翼型的最大相對彎度f、最大相對彎度位置Xf、最大相對厚度t、最大相對厚度位置Xt、弦長c及葉片安裝角a，利用Profili軟件設(shè)計葉片截面翼型參數(shù)，將翼型導(dǎo)入到SolidWorks中，拉伸葉片長度為3000 mm，用直徑400 mm、高度200 mm的圓柱表示電動機，設(shè)置葉片數(shù)目為6個，初始設(shè)計模型參數(shù)如表1所示，工業(yè)吊扇簡化模型如圖1所示，葉片截面翼型如圖2所示。

圖1 工業(yè)吊扇簡化模型

圖2 葉片截面翼型

表1 初始設(shè)計模型翼型參數(shù)

1.2 Fluent仿真分析

將工業(yè)吊扇模型導(dǎo)入到Fluent 軟件，在DesignModeler中對模型的動域、靜域、進口面、出口面、壁面、葉片邊界等進行命名，仿真模型如圖3所示；之后進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分設(shè)置為Tetrahedrons，生成網(wǎng)格形式為Independent，對動域內(nèi)吊扇葉片周邊進行網(wǎng)格加密處理，靜域中與動域的接觸面也進行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格劃分如圖4所示[7-8]。

圖3 仿真模型

圖4 網(wǎng)格劃分

在Fluent中設(shè)置Steady求解器；設(shè)置進風(fēng)口、出風(fēng)口壓力為大氣壓；湍流模型為k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型；對吊扇及動域設(shè)置多重參考系法（MRF），設(shè)置動域轉(zhuǎn)速ω為60 r/min，葉片對于動域相對轉(zhuǎn)速設(shè)為0；耦合方程采用Simple算法；湍流動能、湍流耗散率、動量及壓力等系數(shù)均設(shè)置為二階迎風(fēng)式離散；監(jiān)測項為風(fēng)風(fēng)量，監(jiān)測量殘差數(shù)值小于10-3可定為收斂，仿真迭代次數(shù)3000次[9]。

1.3 仿真結(jié)果分析

計算結(jié)束，通過CFD-Post查看仿真結(jié)果可以獲得空氣分子流線圖（如圖5）、速度矢量圖（如圖6），以及表征吊扇性能參數(shù)如吊扇靜壓ps、流量Q、轉(zhuǎn)矩M、軸功率Ns。

圖5 空氣分子流線圖

圖6 速度矢量圖

本文用吊扇的靜壓效率來衡量吊扇的氣動特性。吊扇的靜壓效率ηs等于靜壓有用功率Nes與軸功率Ns之比[10]，即

其中靜壓有效功率[10]為

軸功率為

2 工業(yè)吊扇葉片參數(shù)正交實驗分析

2.1 正交實驗指標(biāo)

本文正交實驗的目的就是要尋求工業(yè)吊扇葉片參數(shù)的最優(yōu)組合從而達到氣動特性的最優(yōu)值，將翼型的靜壓效率作為正交實驗的指標(biāo)[11]。

2.2 確定正交實驗的因素和水平范圍

工業(yè)吊扇的氣動性能的主要影響因素為翼型的最大相對彎度f、最大相對彎度位置Xf、最大相對厚度t、最大相對厚度位置Xt、弦長c及葉片安裝角a，將以上6個參數(shù)作為正交實驗的實驗因素。

一般來說，工業(yè)吊扇的轉(zhuǎn)速很低，一般為40～70 r/min，本文中設(shè)置吊扇轉(zhuǎn)速為60 r/min。對于翼型參數(shù)而言，在一定區(qū)間范圍內(nèi)適當(dāng)增加，會使升阻比增大，提高吊扇的氣動性能，但當(dāng)超過某個界限值時，參數(shù)的增大反而會使吊扇氣動性能降低。本文中安裝角a水平范圍設(shè)定為6°～18°，弦長c水平范圍設(shè)定為180～300 mm，最大相對彎度f水平范圍設(shè)定為5%～9%，最大相對彎度位置Xf水平范圍設(shè)定為35%～55%，最大相對厚度t水平范圍設(shè)定為12%～20%，最大相對厚度位置Xt水平范圍設(shè)定為26%～34%。

2.3 設(shè)計正交實驗表

正交實驗表選用6個因子，每個因子取5個水平，正交實驗因素水平如表1所示。只考慮各因素的單因素效應(yīng)，根據(jù)正交實驗的設(shè)計原理，要進行25組仿真實驗L25（65）[2]，利用Fluent進行仿真分析獲得正交實驗及極差分析結(jié)果如表2所示。

表1 正交實驗因素水平表

3 正交實驗優(yōu)化結(jié)果分析

從表2極差分析可以看出，以上6個變量因素對靜壓效率的影響都很顯著，影響程度依次為：葉片安裝角a>弦長c>最大相對厚度位置Xt>最大相對彎度f>最大相對彎度位置Xf>最大相對厚度t。

表2 正交實驗及極差分析表

從圖7各因素對靜壓效率的影響中可以看出，此次實驗得出的最優(yōu)組合為：葉片安裝角a取14°；弦長c取300 mm；最大相對彎度f取7%；最大相對彎度位置Xf取50%；最大相對厚度t取14%；最大相對厚度位置Xt取32%。

圖7 各因素對靜壓效率的影響

將各因素的最優(yōu)水平組合，設(shè)計一新工業(yè)吊扇模型，通過Fluent流場分析獲得氣動參數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)最優(yōu)組合的吊扇靜壓效率遠大于正交實驗組中各實驗的靜壓效率。原始模型與優(yōu)化模型氣動參數(shù)對比如表3所示，其中優(yōu)化后模型比原始模型流量提高60%，靜壓提高23%，而軸功率提高16%，整體靜壓效率提高70%。

表3 原始模型與優(yōu)化模型氣動參數(shù)對比

4 結(jié)論

基于CFD流場分析和正交實驗方法，對大型節(jié)能工業(yè)吊扇葉片翼型參數(shù)及安裝角進行組合優(yōu)化分析，得出以下結(jié)論：

1）葉片安裝角、弦長、最大相對厚度位置、最大相對彎度、最大相對彎度位置、最大相對厚度等6個因素皆會對吊扇靜壓效率產(chǎn)生影響，且影響程度依次減弱。

2）優(yōu)化后的模型比原始設(shè)計模型流量增加60%，靜壓增加23%，軸功率增加16%，而靜壓效率增加70%，可以看出優(yōu)化后的模型氣動性能更優(yōu)，實現(xiàn)了對節(jié)能工業(yè)吊扇性能的提高。

3）最優(yōu)組合為：葉片安裝角取14°；弦長取300 mm；最大相對彎度取7%；最大相對彎度位置取50%；最大相對厚度取14%；最大相對厚度位置取32%。