離心風(fēng)機葉輪葉片氣動(dòng)優(yōu)化研究

　　利用NUMECA 軟件對一離心風(fēng)機的孤立葉輪進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化研究，將原始葉片的葉型中弧線(xiàn)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(dòng)分離，減小了流動(dòng)損失，流況得到不同程度的改善，表明以數值氣動(dòng)優(yōu)化來(lái)提高葉片氣動(dòng)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)機作為風(fēng)機中使用最廣的類(lèi)型，已廣泛應用于經(jīng)濟建設的各個(gè)行業(yè)，是眾多工業(yè)部門(mén)輸送氣體介質(zhì)的核心機械和主要的能耗設備，故研究和改進(jìn)離心式風(fēng)機，提高其工作效率，對節約能源和有效配置都有著(zhù)非常重要的意義。而葉輪是風(fēng)機的核心氣動(dòng)部件，葉輪內部流動(dòng)的好壞直接決定著(zhù)整機的性能和效率。隨著(zhù)計算機技術(shù)和流體力學(xué)計算技術(shù)的迅速發(fā)展，利用計算流體動(dòng)力學(xué)的數值計算方法進(jìn)行模擬分析，已逐步成為了解流體機械內部流動(dòng)狀況的重要手段，實(shí)踐表明，這種數值計算方法能夠得出很準確的計算結果。并且利用數值優(yōu)化方法對其分析，可得到最優(yōu)組合，提高葉輪的性能。

　　基于以上認識，根據葉輪機械全三維流場(chǎng)數值計算技術(shù)，利用NUMECA 的Design3D 全三維葉輪機械氣動(dòng)優(yōu)化設計平臺，對一離心通風(fēng)機葉片進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)其葉型中弧線(xiàn)，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)機葉輪采用的是弧形等厚葉片，葉片為后向式結構，共12 個(gè)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)機葉輪的三維造型。

(a) 全葉輪(b) 隱藏前盤(pán)后的葉輪

圖1 風(fēng)機葉輪的三維造型

3、數值計算方法

　　數值計算采用了NUMECA/FINE 軟件包的Euranus 求解器。采用Jameson 的有限體積差分格式并結合Spalart-Allmaras 湍流模型對相對坐標系下的三維雷諾時(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，被認為是連接代數零方程Baldwin-Lomax 模型和兩方程模型的橋梁，由于其具有較好的魯棒性，并且能夠處理復雜流動(dòng)的能力，因此近年來(lái)應用很廣泛，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，為提高計算效率，采用了多重網(wǎng)格法、局部時(shí)間步長(cháng)和殘差光順等加速收斂措施。采用單通道計算，網(wǎng)格質(zhì)量高，同時(shí)為避免計算誤差，所有的流場(chǎng)計算都采用同一套網(wǎng)格模板。計算設置及邊界條件如表1 所示。

表1 計算設置

6、結語(yǔ)

　　通過(guò)優(yōu)化結果和流場(chǎng)的對比分析表明，各種優(yōu)化方式優(yōu)化后，葉片的氣動(dòng)性能在優(yōu)化點(diǎn)處都得到了提高，流動(dòng)損失減小了，流場(chǎng)狀態(tài)得到改善，尤其是葉片頂部的流動(dòng)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(cháng)、各有所短。不同參數化形式，優(yōu)化后獲得的結果不同。優(yōu)化工況點(diǎn)的選取對優(yōu)化結果( 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。