ANSYS翼型叶片的设计及优化

2013-07-13 by:Ansys教程编写来源:仿真在线

ANSYS翼型叶片的设计及优化

1 前言

为了降低使用成本,提高产品竞争力,风扇类产品的设计除了要使其满足特定工况,如流量,压升,强度等,还要通过优化使其效率最大化。因此其设计过程是一个在初步设计的基础上,反复修改和分析的循环过程。风扇设计的关键是叶片设计,因为叶片形状是决定风扇性能的关键因素。叶片设计,流固耦合分析及优化通常有以下步骤:

1) 根据给定条件(如流量,压升,直径范围等)初步确定叶片形状参数;

2) 根据初步设计结果,建立叶片仿真模型;

3) 对模型进行流体分析,验证其能否满足压升要求,并且计算其效率;

4) 对模型进行结构分析,计算叶片在受到上述流体分析得到的压力荷载情况下的应力和变形,看能否满足强度和刚度要求;

5) 考虑结构分析得到的叶片的变形,重复步骤3),4),直到结果收敛;

6) 调整设计参数,重复步骤2)-5),得到另一组设计方案的分析结果;用此方法得到多组设计方案的结果,在通过数值分析方法得到最优化的设计结果。

一般说来,以上设计和分析是一个复杂,耗时的过程。首先,这一过程包含叶片仿真模型的生成,流体分析以及结构分析等各自独立的子过程,分别需要CAD、流体分析和结构分析等不同的软件来完成,由于整个过程是一个循环过程,模型要在各软件之间多次被输入输出,而不同软件之间往往存在不兼容性,例如在流固耦合分析中,流体分析的压力分布结果往往不能直接被导入结构分析软件,结构分析的变形结果也不能直接导入流体分析软件去进一步分析,因此设计者要耗费相当一部分时间和精力处理不同软件之间的数据传递。

运用ANSYS Workbench 平台,以上设计分析过程将被极大简化。该平台提供的各个模块(包括CAD建模,流体分析和结构分析)之间可以很方便建立数据传递通道,使数据可以无阻碍地互相传递。而且,该通道的建立,使得任一设计参数发生改变时,其余部分可以被更新,这样避免了导入模型、重新设置和分析等重复性的工作。

本文将介绍如何利用ANSYS Workbench 来进行风扇设计及优化,使设计分析过程得到简化。其设计要求是设计转速为1100转/分钟,压升为0.55H2O, 外径为30英寸,叶片个数为11的风扇。

2 用ANSYS Workbench设计及分析翼型叶片

所示为用ANSYS Workbench设计翼型叶片, 并得到初步设计方案的分析结果的流程。该流程主要包含生成几何模型,划分网格,空气动力分析和结构分析四个基本步骤。以上步骤分别由ANSYS Workbench提供的BladeGen,TurboGrid,CFX和Static Structural模块来实现。首先由BladeGen 模块设计叶片的形状和尺寸;然后将模型输入TurboGrid模块, 划分网格;再将划分好网格的模型输入CFX模块,分析叶片的空气动力特性;最后将空气动力分析得到的叶片周围压力分布结果导入Static Structural 模块,分析叶片的应力和应变。这样就完成了从风扇叶片从设计到分析的一个循环。为了完成效率优化设计,如图1所示,需要改变设计参数,再进行分析,得到不同设计方案的分析结果;然后通过数值分析法得到使效率最大化的一组参数。图所示为ANSYS Workbench界面显示的设计分析的流程,连线表示各模块之间的数据传递。

2.1 设计及分析方法

2.1.1 叶片模型设计

利用BladeGen提供的Vista Axial Fan Design设计工具,输入压升,风扇转速,流量和叶片个数等工况需求,该工具会自动计算出叶片形状和尺寸,如截面弧形(即厚度分布),起始角,生成初始模型。初步设计结果: 显示Trailing angle 与leading angle 沿风扇径向分布曲线;显示示叶片截面形状;显示叶片沿弦长的厚度分布曲线。其中trailing angle 和leading angle 的分布曲线,以及叶片沿弦长的厚度分布曲线都可以适当调整。翼型叶片的截面形状设计通常是参考NACA airfoil series 数据库计算截面沿弦长的厚度分布,BladeGen向设计者提供了基于该数据库的叶片厚度设计工具,设计者可以很方便得到截面形状。

2.1.2 网格划分

利用TurboGrid对叶片周围边界层的气体进行网格划分:拓扑方法设置为“ATM Optimized”,O-Grid区域内的边界层气体被划分为9层,叶片周围气体单元总共被划分为50000个单元。图显示用上述方法得到的叶片shroud面的2D网格划分结果。图显示叶片周围气体单元的3D网格划分结果。

2.1.3 流体分析

在用CFX对叶片进行空气动力分析时,首先是根据叶片形状确定进气口和出气口,然后定义叶片,进气口,出气口,Shroud面, Hub面等边界条件。叶片周围气体设置为常温下的空气,外界压强为1标准大气压。风扇转速为1100转每分钟,输出流量为0.4245kg/s。流体模型选用的Shear Stress Transport模型。图所示为CFD模型,图5(b),(c)所示为CFD分析结果。其中为静压分布图,为速度场分布图。可以看出速度场沿叶片均匀分布,因而叶片设计是合理的。

风扇的效率由下式计算得出,等式右端各变量可以由CFX的分析结果中取出。

风扇效率=进气口流量*(出气口气压-进气口气压)/(叶片转矩*转速)

2.1.4 结构分析

在BladeGen生成的叶片基础上添加Shroud 和hub,即构成结构分析的几何模型。载荷为CFD分析的得到的叶片上的压力分布。用Static Structure模块分析得到等效应力。

2.1.5 效率优化

改变叶片各个设计参数,运用上述方法分析,结果显示leading angle 和trailing angle 是影响压升和效率的主要因素。为求得使效率最大化的设计方案,调整leading angle 和trailing angle的值,得到一系列的设计方案,分析各个方案得到的压升和效率,得到效率最大化的设计方案。表1所示为3组设计方案及对应的效率值。其中第一组设计为初始设计;第二组设计使trailing angle 增加4度;第三组设计使leading angle增加1至3度。

2.2 与传统设计及分析方法比较

利用ANSYS Workbench 仿真平台进行翼型叶片的设计分析,与传统设计方法(用几种不同软件进行设计)相比,为设计者节省了大量的时间和精力:1)模型导入导出和载荷,变形等数据传递可在平台界面上由简单的鼠标操作完成,免去了大量的操作,极大地简化了设计分析过程;2)利用BladeGen提供的叶片自动设计工具Vista Axial Fan Design, 可直接根据工况输入生成初始模型,节省去叶片形状参数的计算所需的时间和精力;3)在设计参数改变后,对应的设置和分析可以在平台的界面上直接更新,不需要像传统方法进入每个软件去更新每一个步骤。

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