ANSYS翼型葉片的設計及優(yōu)化

2013-07-13 by:Ansys教程編寫來源:仿真在線

1 前言

為了降低使用成本,提高產(chǎn)品競爭力,風扇類產(chǎn)品的設計除了要使其滿足特定工況,如流量,壓升,強度等,還要通過優(yōu)化使其效率最大化。因此其設計過程是一個在初步設計的基礎上,反復修改和分析的循環(huán)過程。風扇設計的關鍵是葉片設計,因為葉片形狀是決定風扇性能的關鍵因素。葉片設計,流固耦合分析及優(yōu)化通常有以下步驟:

1) 根據(jù)給定條件(如流量,壓升,直徑范圍等)初步確定葉片形狀參數(shù);

2) 根據(jù)初步設計結果,建立葉片仿真模型;

3) 對模型進行流體分析,驗證其能否滿足壓升要求,并且計算其效率;

4) 對模型進行結構分析,計算葉片在受到上述流體分析得到的壓力荷載情況下的應力和變形,看能否滿足強度和剛度要求;

5) 考慮結構分析得到的葉片的變形,重復步驟3),4),直到結果收斂;

6) 調(diào)整設計參數(shù),重復步驟2)-5),得到另一組設計方案的分析結果;用此方法得到多組設計方案的結果,在通過數(shù)值分析方法得到最優(yōu)化的設計結果。

一般說來,以上設計和分析是一個復雜,耗時的過程。首先,這一過程包含葉片仿真模型的生成,流體分析以及結構分析等各自獨立的子過程,分別需要CAD、流體分析和結構分析等不同的軟件來完成,由于整個過程是一個循環(huán)過程,模型要在各軟件之間多次被輸入輸出,而不同軟件之間往往存在不兼容性,例如在流固耦合分析中,流體分析的壓力分布結果往往不能直接被導入結構分析軟件,結構分析的變形結果也不能直接導入流體分析軟件去進一步分析,因此設計者要耗費相當一部分時間和精力處理不同軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞。

運用ANSYS Workbench 平臺,以上設計分析過程將被極大簡化。該平臺提供的各個模塊(包括CAD建模,流體分析和結構分析)之間可以很方便建立數(shù)據(jù)傳遞通道,使數(shù)據(jù)可以無阻礙地互相傳遞。而且,該通道的建立,使得任一設計參數(shù)發(fā)生改變時,其余部分可以被更新,這樣避免了導入模型、重新設置和分析等重復性的工作。

本文將介紹如何利用ANSYS Workbench 來進行風扇設計及優(yōu)化,使設計分析過程得到簡化。其設計要求是設計轉(zhuǎn)速為1100轉(zhuǎn)/分鐘,壓升為0.55H2O, 外徑為30英寸,葉片個數(shù)為11的風扇。

2 用ANSYS Workbench設計及分析翼型葉片

所示為用ANSYS Workbench設計翼型葉片, 并得到初步設計方案的分析結果的流程。該流程主要包含生成幾何模型,劃分網(wǎng)格,空氣動力分析和結構分析四個基本步驟。以上步驟分別由ANSYS Workbench提供的BladeGen,TurboGrid,CFX和Static Structural模塊來實現(xiàn)。首先由BladeGen 模塊設計葉片的形狀和尺寸;然后將模型輸入TurboGrid模塊, 劃分網(wǎng)格;再將劃分好網(wǎng)格的模型輸入CFX模塊,分析葉片的空氣動力特性;最后將空氣動力分析得到的葉片周圍壓力分布結果導入Static Structural 模塊,分析葉片的應力和應變。這樣就完成了從風扇葉片從設計到分析的一個循環(huán)。為了完成效率優(yōu)化設計,如圖1所示,需要改變設計參數(shù),再進行分析,得到不同設計方案的分析結果;然后通過數(shù)值分析法得到使效率最大化的一組參數(shù)。圖所示為ANSYS Workbench界面顯示的設計分析的流程,連線表示各模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。

2.1 設計及分析方法

2.1.1 葉片模型設計

利用BladeGen提供的Vista Axial Fan Design設計工具,輸入壓升,風扇轉(zhuǎn)速,流量和葉片個數(shù)等工況需求,該工具會自動計算出葉片形狀和尺寸,如截面弧形(即厚度分布),起始角,生成初始模型。初步設計結果: 顯示Trailing angle 與leading angle 沿風扇徑向分布曲線;顯示示葉片截面形狀;顯示葉片沿弦長的厚度分布曲線。其中trailing angle 和leading angle 的分布曲線,以及葉片沿弦長的厚度分布曲線都可以適當調(diào)整。翼型葉片的截面形狀設計通常是參考NACA airfoil series 數(shù)據(jù)庫計算截面沿弦長的厚度分布,BladeGen向設計者提供了基于該數(shù)據(jù)庫的葉片厚度設計工具,設計者可以很方便得到截面形狀。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

利用TurboGrid對葉片周圍邊界層的氣體進行網(wǎng)格劃分:拓撲方法設置為“ATM Optimized”,O-Grid區(qū)域內(nèi)的邊界層氣體被劃分為9層,葉片周圍氣體單元總共被劃分為50000個單元。圖顯示用上述方法得到的葉片shroud面的2D網(wǎng)格劃分結果。圖顯示葉片周圍氣體單元的3D網(wǎng)格劃分結果。

2.1.3 流體分析

在用CFX對葉片進行空氣動力分析時,首先是根據(jù)葉片形狀確定進氣口和出氣口,然后定義葉片,進氣口,出氣口,Shroud面, Hub面等邊界條件。葉片周圍氣體設置為常溫下的空氣,外界壓強為1標準大氣壓。風扇轉(zhuǎn)速為1100轉(zhuǎn)每分鐘,輸出流量為0.4245kg/s。流體模型選用的Shear Stress Transport模型。圖所示為CFD模型,圖5(b),(c)所示為CFD分析結果。其中為靜壓分布圖,為速度場分布圖?？梢钥闯鏊俣葓鲅厝~片均勻分布,因而葉片設計是合理的。

風扇的效率由下式計算得出,等式右端各變量可以由CFX的分析結果中取出。

風扇效率=進氣口流量*(出氣口氣壓-進氣口氣壓)/(葉片轉(zhuǎn)矩*轉(zhuǎn)速)

2.1.4 結構分析

在BladeGen生成的葉片基礎上添加Shroud 和hub,即構成結構分析的幾何模型。載荷為CFD分析的得到的葉片上的壓力分布。用Static Structure模塊分析得到等效應力。

2.1.5 效率優(yōu)化

改變?nèi)~片各個設計參數(shù),運用上述方法分析,結果顯示leading angle 和trailing angle 是影響壓升和效率的主要因素。為求得使效率最大化的設計方案,調(diào)整leading angle 和trailing angle的值,得到一系列的設計方案,分析各個方案得到的壓升和效率,得到效率最大化的設計方案。表1所示為3組設計方案及對應的效率值。其中第一組設計為初始設計;第二組設計使trailing angle 增加4度;第三組設計使leading angle增加1至3度。

2.2 與傳統(tǒng)設計及分析方法比較

利用ANSYS Workbench 仿真平臺進行翼型葉片的設計分析,與傳統(tǒng)設計方法(用幾種不同軟件進行設計)相比,為設計者節(jié)省了大量的時間和精力:1)模型導入導出和載荷,變形等數(shù)據(jù)傳遞可在平臺界面上由簡單的鼠標操作完成,免去了大量的操作,極大地簡化了設計分析過程;2)利用BladeGen提供的葉片自動設計工具Vista Axial Fan Design, 可直接根據(jù)工況輸入生成初始模型,節(jié)省去葉片形狀參數(shù)的計算所需的時間和精力;3)在設計參數(shù)改變后,對應的設置和分析可以在平臺的界面上直接更新,不需要像傳統(tǒng)方法進入每個軟件去更新每一個步驟。

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