离心风机叶轮叶片气动优化研究

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中图分类号： TH432 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.07.006Investigation on Blade Aerodynamic Optimization of a Centrifuge FanDENG Jing-liang，CHU Wu-li(Northwestern Polytechnical University，Xian 7 10072，China)Abstract： The investigation on isolated impeler aerodynamic optimization of a centrifuge fan is carried on the software NUME-CA.Optimize the camber of the original blade，just to improve the adiabatic efficiency of the impelle7.In this paper，three diferentways of optimization are done，and use the single variable method to compe and analysis the diferent optimized results.Afteroptimization，the adiabatic eficiency has improved and the flow loss has reduced.This indicates that the method of numerical aero-dynamic optimization to improve the blade aerodynamic performance is effective.The diferent results of diferent optimizationmethods，indicate that the parameterization and the optimization operating point have a significant impact on the optimized effect。

Key words： aerodynamic optimization；centrifugal blower；camber；NUMECA1 前言离心式风机作为风机中使用最广的类型，已广泛应用于经济建设的各个行业，是众多工业部门输送气体介质 的核心机械和主要的能耗设备 I2 J，故研究和改进离心式风机，提高其工作效率，对节约能源和有效配置都有着非常重要的意义。而叶轮是风机的核心气动部件，叶轮内部流动的好坏直接决定着整机的性能和效率。随着计算机技术和流体力学计算技术的迅速发展，利用计算流体动力学的数值计算方法进行模拟分析，已逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手段，实践表明，这种数值计算方法能够得出很准确的计算结果 J。并且利用数值优化方法对其分收稿 日期 ： 2012-07-19 修稿 日期： 2013-04-09析，可得到最优组合，提高叶轮的性能-4 ]。

基于以上认识 ，根据叶轮机械全三维流场数值计算技术，利用NUMECA的Design3D全三维叶轮机械气动优化设计平台，对-离心通风机叶片进行优化，改进其叶型中弧线，以提高其性能，并对不同优化方式的优化效果进行 比较分析。

2 优化对象研究的风机叶轮采用的是弧形等厚叶片，叶片为后向式结构，共 12个叶片。叶片前缘径向位置为 170mm，叶片后缘径向位置为 255mm。图 1给出了风机叶轮的三维造型。

FLUID MACHINERY Vo1.41，No.7，2013顶(a)全叶轮 (b)隐藏前盘后的叶轮图 1 风机叶轮的三维造型3 数值计算方法数值计算采用了NUMECA/FINE软件包的Euranus求解器。采用Jameson的有限体积差分格式并结合 Spalart-Almaras湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺时均 Navier-Stokes方程进行求解。s-A湍流模型是-方程湍流模型，被认为是连接代数零方程 Baldwin-Lomax模型和两方程模型的桥梁，由于其具有较好的鲁棒性，并且能够处理复杂流动的能力，因此近年来应用很广泛，尤其是在航空航天领域。采用显式四阶 Runge-Kuta法时间推进以获得定斥，为提高计算效率，采用了多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施。采用单通道计算，网格质量高，同时为避免计算误差，所有的流称算都采用同-套网格模板。计算设置及边界条件如表1所示。

表 1 计算设置流体工质 Perfect Gas流动模型 定常，湍流 N-S方程，S-A湍流模型。

转速 2920r/min边 进口 给定总温293K，总压 101325Pa界 出口 给定平均背压或给定流量，条 根据不同工况设定件 固壁 绝热，恒定转速为 2920r/min4 优化方法设计通过对叶型中弧线进行优化，提高叶轮的绝热效率，所以优化的目标函数设置为：尽量提高效率，限定流量为原始叶轮对应点的流量，同时限制压力(压力尽量不低于原始叶轮的压力)。

本文采用 的优化工具是 NUMECA软件 的Design3D拈，基于近似函数技术，根据数据库生成的样本，采用人工神经网络建立几何优化变量与气动目标参数之间的近似函数关系，在此基础上，通过遗传算法等数值优化算法进行优化，预测出最优解，并用 CFD流称算来验证。如此循环迭代，直到符合精度要求。

参数化定义了几何体的表达方式，参数化方式不同，优化时叶片自由扰动方式也就不同，所以不同的参数化方式也会得出不同的优化结果。单工况点优化时，并不能保证叶轮的全工况性能，所以工况点的选取对优化结果也有很大影响。本文的优化方式中共涉及 2种参数化方式(SimpleBezier曲线和高阶 Bezier曲线)和 2种优化工况点(设计点和某个非设计点)。各种优化方式设置如表2所示。

表 2 各种优化方式设置目标函 名称 参数化方式 优化工况点数设定优化 Simple Bezier曲 标准进口条件设计点方式 1 线参数化中弧线 (m3.50kg/s)优化设计优化 高阶Bezier曲线 标准进口条件设计点 提高效率限定流量 方式2 参数化中弧线 (m3.50kg/s)优化设计 限制压力优化 高阶Bezier曲线 标准进口条件非设计点方式3 参数化中弧线 (m5.00kg/s)优化设计5 优化结果及讨论分析5.1 优化后的叶型利用上述优化方式进行优化设计，得到 3种不同的优化叶型，如图2所示。

原始叶型优化非设图 2 优化前后各种叶型对比优化中保持叶片前缘与原始叶片-致，从图中可以看出，方式 2得到的叶型与原始叶片相差最大，方式 1优化后叶片后部向吸力面凸出，方式3优化后叶片中部向压力面凸出了。

5.2 优化工况点下性能对比分析优化后，在优化工况点上的性能参数如表3所示。方式 1和方式2的优化工况点都是设计点，对应流量均为3.50kg/s，优化后其绝热效率分别提高了1.78%和3.37%。方式3的优化工2013年第4l卷第 7期 流 体 机 械 27耗角度来看，在满足效率和全压的前提下，功率越小越节约能源。

比较方式 1和方式 2，可知不同参数化方式对优化结果的影响。方式 1和方式 2都是在设计点工况下进行优化的，方式 1采用 Simple Bezier曲线参数化中弧线，方式2采用高阶 Bezier曲线参数化中弧线。从优化后几何型线和性能曲线可知，二者的优化结果还是差别很大。Simple Bezier曲线局部性能劣于高阶 Bezier曲线，微调性上高阶 Bezier曲线更加灵活。

比较方式 2和方式 3，可知优化工况点的选取对优化结果的影响很大。方式2和方式3都是采用高阶 Bezier曲线参数化中弧线的，但两种方式的优化工况点选取不同，分别为3.50kg/s和5。

00kg/s。从优化结果来看，二者结果的差别还是很大的，方式 2优化后将叶轮工作流量范围限制在设计点附近，此范围内各性能都比较优越，但这是以牺牲大流量工作范围的性能为代价的。方式3优化后扩大了叶轮的流量范围，大多数流量下性能良好 ，但在设计点工况下性能不佳。所以，若要得到更好的全工况性能，需要合理选取优化工况点，或者进行多工况点优化。

6 结语通过优化结果和流场的对比分析表明，各种优化方式优化后，叶片的气动性能在优化点处都得到了提高，流动损失减小了，流场状态得到改善，尤其是叶片顶部的流动分离得到有效控制。

而优化后的全工况的性能却是各有所长、各有所短。不同参数化形式，优化后获得的结果不同。

优化工况点的选取对优化结果(尤其是全工况性能)也有很大影响，若要获得更优的全工况性能，可进行多工况点优化。