ANSYS翼型葉片的設計及優化

2013-07-13 by:Ansys教程編寫來源:仿真在線

ANSYS翼型葉片的設計及優化

1 前言

為了降低使用成本,提高產品競爭力,風扇類產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,流固耦合分析及優化通常有以下步驟:

1) 根據給定條件(如流量,壓升,直徑范圍等)初步確定葉片形狀參數;

2) 根據初步設計結果,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) 調整設計參數,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,在通過數值分析方法得到最優化的設計結果。

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據傳遞。

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據傳遞通道,使數據可以無阻礙地互相傳遞。而且,該通道的建立,使得任一設計參數發生改變時,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化,使設計分析過程得到簡化。其設計要求是設計轉速為1100轉/分鐘,壓升為0.55H2O, 外徑為30英寸,葉片個數為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。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, 劃分網格;再將劃分好網格的模型輸入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。為了完成效率優化設計,如圖1所示,需要改變設計參數,再進行分析,得到不同設計方案的分析結果;然后通過數值分析法得到使效率最大化的一組參數。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據傳遞。

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,風扇轉速,流量和葉片個數等工況需求,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整。翼型葉片的截面形狀設計通常是參考NACA airfoil series 數據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據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 網格劃分

利用TurboGrid對葉片周圍邊界層的氣體進行網格劃分:拓撲方法設置為“ATM Optimized”,O-Grid區域內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網格劃分結果。圖顯示葉片周圍氣體單元的3D網格劃分結果。

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。風扇轉速為1100轉每分鐘,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。可以看出速度場沿葉片均勻分布,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)/(葉片轉矩*轉速)

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 效率優化

改變葉片各個設計參數,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,與傳統設計方法(用幾種不同軟件進行設計)相比,為設計者節省了大量的時間和精力:1)模型導入導出和載荷,變形等數據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, 可直接根據工況輸入生成初始模型,節省去葉片形狀參數的計算所需的時間和精力;3)在設計參數改變后,對應的設置和分析可以在平臺的界面上直接更新,不需要像傳統方法進入每個軟件去更新每一個步驟。

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