ANSYS翼型葉片的設(shè)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(fēng)扇類產(chǎn)品的設(shè)計除了要使其滿足特定工況,如流量,壓升,強(qiáng)度等,還要通過優(yōu)化使其效率最大化。因此其設(shè)計過程是一個在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上,反復(fù)修改和分析的循環(huán)過程。風(fēng)扇設(shè)計的關(guān)鍵是葉片設(shè)計,因?yàn)槿~片形狀是決定風(fēng)扇性能的關(guān)鍵因素。葉片設(shè)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(shè)計結(jié)果,建立葉片仿真模型;

3) 對模型進(jìn)行流體分析,驗(yàn)證其能否滿足壓升要求,并且計算其效率;

4) 對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(yīng)力和變形,看能否滿足強(qiáng)度和剛度要求;

5) 考慮結(jié)構(gòu)分析得到的葉片的變形,重復(fù)步驟3),4),直到結(jié)果收斂;

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

一般說來,以上設(shè)計和分析是一個復(fù)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(jié)構(gòu)分析等各自獨(dú)立的子過程,分別需要CAD、流體分析和結(jié)構(gòu)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(jié)果往往不能直接被導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析軟件,結(jié)構(gòu)分析的變形結(jié)果也不能直接導(dǎo)入流體分析軟件去進(jìn)一步分析,因此設(shè)計者要耗費(fèi)相當(dāng)一部分時間和精力處理不同軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞。

運(yùn)用ANSYS Workbench 平臺,以上設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)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(dǎo)入模型、重新設(shè)置和分析等重復(fù)性的工作。

本文將介紹如何利用ANSYS Workbench 來進(jìn)行風(fēng)扇設(shè)計及優(yōu)化,使設(shè)計分析過程得到簡化。其設(shè)計要求是設(shè)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(fēng)扇。

2 用ANSYS Workbench設(shè)計及分析翼型葉片

所示為用ANSYS Workbench設(shè)計翼型葉片, 并得到初步設(shè)計方案的分析結(jié)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)。首先由BladeGen 模塊設(shè)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(jié)果導(dǎo)入Static Structural 模塊,分析葉片的應(yīng)力和應(yīng)變。這樣就完成了從風(fēng)扇葉片從設(shè)計到分析的一個循環(huán)。為了完成效率優(yōu)化設(shè)計,如圖1所示,需要改變設(shè)計參數(shù),再進(jìn)行分析,得到不同設(shè)計方案的分析結(jié)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(shè)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(shè)計及分析方法

2.1.1 葉片模型設(shè)計

利用BladeGen提供的Vista Axial Fan Design設(shè)計工具,輸入壓升,風(fēng)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(shè)計結(jié)果: 顯示Trailing angle 與leading angle 沿風(fēng)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(dāng)調(diào)整。翼型葉片的截面形狀設(shè)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(shè)計者提供了基于該數(shù)據(jù)庫的葉片厚度設(shè)計工具,設(shè)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(jìn)行網(wǎng)格劃分:拓?fù)浞椒ㄔO(shè)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(jié)果。圖顯示葉片周圍氣體單元的3D網(wǎng)格劃分結(jié)果。

2.1.3 流體分析

在用CFX對葉片進(jìn)行空氣動力分析時,首先是根據(jù)葉片形狀確定進(jìn)氣口和出氣口,然后定義葉片,進(jìn)氣口,出氣口,Shroud面, Hub面等邊界條件。葉片周圍氣體設(shè)置為常溫下的空氣,外界壓強(qiáng)為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。風(fēng)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(jié)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(shè)計是合理的。

風(fēng)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(jié)果中取出。

風(fēng)扇效率=進(jìn)氣口流量*(出氣口氣壓-進(jìn)氣口氣壓)/(葉片轉(zhuǎn)矩*轉(zhuǎn)速)

2.1.4 結(jié)構(gòu)分析

在BladeGen生成的葉片基礎(chǔ)上添加Shroud 和hub,即構(gòu)成結(jié)構(gòu)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(yīng)力。

2.1.5 效率優(yōu)化

改變?nèi)~片各個設(shè)計參數(shù),運(yùn)用上述方法分析,結(jié)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(shè)計方案,調(diào)整leading angle 和trailing angle的值,得到一系列的設(shè)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(shè)計方案。表1所示為3組設(shè)計方案及對應(yīng)的效率值。其中第一組設(shè)計為初始設(shè)計;第二組設(shè)計使trailing angle 增加4度;第三組設(shè)計使leading angle增加1至3度。

2.2 與傳統(tǒng)設(shè)計及分析方法比較

利用ANSYS Workbench 仿真平臺進(jìn)行翼型葉片的設(shè)計分析,與傳統(tǒng)設(shè)計方法(用幾種不同軟件進(jìn)行設(shè)計)相比,為設(shè)計者節(jié)省了大量的時間和精力:1)模型導(dǎo)入導(dǎo)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(biāo)操作完成,免去了大量的操作,極大地簡化了設(shè)計分析過程;2)利用BladeGen提供的葉片自動設(shè)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(shè)計參數(shù)改變后,對應(yīng)的設(shè)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(jìn)入每個軟件去更新每一個步驟。

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