根据几何关系,建立了空调用多翼离心通
风机的三维数学模型,实现了空调用多翼离心通风机几何建模的参数化。本研究成果极大地缩短了空调用多翼离心通风机CFD分析的前处理时间。关键词:多翼离心式通风机;几何建模;多翼离心通风机因其压力系数高,流量系数大,结构尺寸小,噪声低而广泛应用于家用电器和空调设备等低压通风换气的场合。空调用多翼离心通风机具有叶片数多、叶片曲率大、流道短等特点,目前的设计方法还不太完善,有关叶轮参数的确定仍依靠经验公式。因此,为了确保所设计的多翼离心通风机性能稳定,通常需要进行大量试验,这将使得产品的研发周期长,费用高1。研究表明:在多翼离心通风机设计过程中进行计算流体动力学分析(CFD),不仅可以使设计人员获得产品的内部流动情况,而且还可以使设计人员在设计过程中预测产品的整体性能,及时调整设计方案2。然而,目前在采用通用的计算流体动力学软件(如FLUENT)进行多翼离心通风机性能分析时,若叶轮几何参数稍有变化,或者叶片数目有所调整,或者蜗壳型线有所变化,或者电机型号更改,都必须重新对它进行几何建模和网格划分等前处理工作,这将花费大量的时间和精力。因此,针对空调用多翼离心通风机的特点,建立风机各个部件的数学模型,实现整机几何建模的参数化,这对于缩短CFD分析前处理时间具有重要的现实意义。1几何建模空调用多翼离心通风机通常由叶轮、蜗壳、集流器、电机四大部件构成,每个部件都具有各自的结构特点,且对整机性能产生影响。若要实现整机几何建模的参数化,首先必须建立各个部件的数学模型。1.1叶轮建模多翼离心通风机的叶片翼型通常都基于某种原始翼型,设计时可根据需要进行选择。对于叶片翼型的这种可选择性,可以采用数据库的方式来实现。叶片造型的主要参数为(1)叶轮外径D2;(2)轮径比x;(3)进口安装角b1A;(4)出口安装角b2A;(5)叶片数z;(6)叶片长度L。另外,多翼离心通风机翼型中线的形状一般采用两种形式构成,即圆弧形和抛物线形。其中,圆弧形又包括单圆弧和双圆弧,或者它们与直线的组合。具体为单圆弧、单圆弧+直线、双圆弧、双圆弧+直线4种组合。由此可知,加上抛物线形,翼型中线形状共有5种类型。对于上述5种翼型中线,叶片造型所需参数稍有不同,除了前面介绍的6个基本参数外,可能还需要增加某些参数。对于单圆弧,只需6个基本参数,无需再增加参数。单圆弧翼型中线的几何关系如图1所示通过几何关系,计算获得叶片造型所需的主要参数。对于单圆弧+直线,除需6个基本参数外,还需要给出直线位置x1,以帮助确定翼型中线从哪个位置开始为直线。对于双圆弧,除需6个基本参数外,还需要给出最大挠度位置x2,以帮助确定翼型中线两段圆弧的交点(即切点)。对于双圆弧+直线,除需6个基本参数外,还需要给出直线位置x1和最大挠度位置x2,以帮助确定翼型中线两段圆弧的交点(即切点),以及翼型中线从哪个位置开始为直线。对于抛物线,只需6个基本参数,无需再增加参数。对于上述4种翼型中线的叶片,其几何关系与单圆弧相类似,故在此不多述。而对于叶片的旋转以及沿半径方向平移至圆周等,则可见文献3。这样在确定了叶片翼型、翼型中线以及叶片造型的主要参数之后,就可以实现叶轮的参数化建模了。1.2蜗壳建模蜗壳是多翼离心通风机的一个重要组成部分,其作用是将离开叶轮的气体集中、导流,并将气体的部分动能转变为静压能。蜗壳型线一般有等边基和不等边基两种,设计时可根据需要进行选择。蜗壳造型的主要参数为(1)开度A;(2)宽度B;(3)出口长度C;(4)扩压器长度E;(5)扩压器内侧倾角q1;(6)扩压器外侧倾角q2;(7)蜗舌间隙t;(8)蜗舌圆弧半径r。蜗壳的具体作图方法见文献4,这里不再赘述。1.3集风器建模集风器(或进气口)的作用是保证气流能均匀充满叶轮进口截面,降低流动损失。集风器有很多种类型,如:圆筒形、圆锥形、弧形、锥筒形、弧筒形及锥弧形等,设计时可根据需要进行选择。集风器的主要设计参数为(1)进口直径d1;(2)出口直径d2;(3)锥角q;(4)圆弧半径r1;(5)集风器长度F。集风器的设计是一个简单的点线面体过程,通过以上参数可计算出集风器5个关键点的坐标,然后连点成线,再连线成面,最后旋转得体。1.4电机建模空调用多翼离心通风机通常都自带电机,电机一般存在内置和外置两种安装方式,而离心通风机通常具有单吸和双吸两种类型,这样可能产生4种不同组合,建模时可根据需要进行选择。电机的主要设计参数为(1)电机直径de;(2)电机轴径dx;(3)内置长度Li;(4)轮盘厚度h。通过以上各参数可以调整电机的尺寸与布置,完成电机建模。软件还提供了一个电机数据库,可以选择数据库中现有的电机类型,也可以将数据存贮到数据库,方便下次使用。2应用举例某空调用多翼离心通风机的设计参数为(1)叶轮:采CW-1翼型,中线形状为双圆弧加直线。叶轮参数为外径D2=340mm,轮径比x=0.824,进口安装角b1A=61°,出口安装角b2A=143°,叶片数z=35,叶片长度L=130mm,直线位置x1=0.845弦长,最大挠度位置x2=0.4弦长。(2)蜗壳:采用不等边基型线。蜗壳参数为开度A=87mm,宽度B=158mm,出口长度C=278mm,扩压器长度E=350mm,扩压器内侧倾角q1=30°,扩压器外侧倾角q2=6°,蜗舌间隙t=20mm,蜗舌圆弧半径r=20mm。(3)集风器:进口直径d1=400mm,出口直径d2=340mm,锥角q=60°,圆弧半径r1=30mm,集风器长度F=80mm。(4)电机:风机采用单吸式,电机为内置安装。电机参数为电机直径de=130mm,电机轴径dx=12mm,内置长度Li=91mm,轮盘厚度h=8mm。研发的程序运行界面如图2所示。 图2程序运行界面输入设计参数,通过程序计算获得多翼离心通风机各部件的三维数学模型,将坐标数据文件导入Gambit中,建立各部件三维实体模型,结果如图3所示。图3各部件三维实体模型3结论空调用多翼离通心风机几何建模的参数化,可以实现针对各种设计参数的多翼离心通风机进行快速几何建模,这极大地缩短了前处理时间,提高了CFD分析的效率,并为进一步实现空调用多翼离心通风机的优化设计打下了坚实的基础。