基于OPTIMUS的通风机进风口集成优化计算

1基于OPTIMUS的通风机进风口集成优化计算赵立峰王东屏/大连交通大学摘要：利用三维数值模拟的方法，对离心式通风机进风口流场进行了计算分析，运用多学科优化平台软件OPTIMUS，集成流体计算软件对通风机进风口进行了优化计算。结果表明，通风机的进风口形状对其性能有明显影响，在改动较小的情况下，可以显著提高通风机性能。关键词：离心式通风机进风口集成优化中图分类号：TH432文献标识码：B文章编号：1006-8155（2006）01-0029-03IntegratedandoptimumCalculationforInletofFanBasedonOPTIMUSFlatAbstract：Inletflowfieldofcentrifugalfaniscalculatedandanalyzedusing3Dnumericalsimulation,andoptimizationdesignofinletiscompletedwithOPTIMUSflat.Theresultshowstheshapeofinletaffectsitsperformanceremarkably,andfanperformancecanbeimprovedremarkablybyslightchange.Keywords：CentrifugalFanInletOptimization1引言离心式通风机的空气动力特性除了取决于叶轮内部的结构之外，还与通风机的进风口形状密切相关，进风口又称为集风器，其形状对风机的性能有很大的影响。传统上，多是依据经验公式设计其尺寸，对设计者的经验要求很高，设计效果不理想，不能满足日益提高的节能和环保要求。现在，在国外使用多学科优化软件平台，集成计算流体力学的软件进行数值模拟，已经成为设计流体机械的先进手段。本文采用FLUENT6.1计算通风机流场,但是FLUENT软件本身并不具有优化功能，为了达到优化风机进口形状的目的，可借助集成优化平台OPTIMUS5.0。OPTIMUS5.0是多学科多目标优化软件，具有强大的集成优化能力，可以集成多种CAE/CAD软件。本文用其集成GAMBIT2.1和FLUENT6.1，对北京某厂的离心式通风机的进风口优化设计，以达到提高其性能的目的。2计算模型2.1模型的建立和网格生成现以北京某厂的离心通风机为研究对象，该风机的叶轮半径224mm，32个叶片，在CAD软件中建立几何模型，然后输入到FLUENT的前处理软件GAMBIT中，其整体模型如图1所示。图1通风机模型由于几何模型复杂，网格划分采用三维非结构化网格。相对于结构化网格，非结构化网格的适应能力强，局部加密也比较容易，网格质量直接影响结果的收敛性。在梯度大的地方，网格必须保证足够细密。同时，为了减少网格总数，加快计算，还应减少小网格的数量，对通风机不同区域分割时，叶轮部分的网格较小，蜗壳的部分较大。由于叶片数目较多，所以网格总数已有40多万个。2.2模型定义2在FLUENT中，离心通风机一类的旋转设备问题可以通过旋转参考坐标系来处理，因此要把模型分成定子和转子两类区域。旋转叶轮区域和蜗壳区域的相互作用，通过多参考坐标系模型（MulitipleReferenceFrame,简称MRF）来解决。在MRF方法中，转子区域的网格在计算时应保持静止，在惯性坐标系中是以作用的哥氏力和离心力来进行定常计算，而定子区域则是在惯性坐标系中进行定常计算。在两个区域的交界面处交换惯性坐标系下的流体参数，保证了交界面的连续性，也达到了用定常计算来研究非定常问题的目的。流动进口：定义为压力进口边界，它适合于可压缩流体，也可以用于不可压缩流体。定义总压为0。由于是亚声速，静压可忽略。流动出口：定义为压力出口边界，定义出口压力相对于大气压力为0，即没有附加的压力作用。湍流模型采用εκ双方程模型。叶片、蜗壳、进风口均取壁面边界条件。离心通风机的进口气流为轴向，出口为径向，气流为稳定流，由于气流流动的最大马赫数小于0.3，可按不可压缩流体处理。叶轮和蜗壳、其他界面上均采用了无滑移壁面条件及标准壁面函数。2.3计算结果及分析该模型在工作站级计算机上，迭代500次，并行计算大约1h就基本收敛了，若继续计算，结果也不会有多大差别。计算得到的出口流量为5.515kg/s,出口总压为2588.54Pa，与试验风机的试验数据基本吻合。进风口为圆锥形，空气进入叶轮前，必须由进风管的轴向转一个90的角，气流才会产生分离，这种分离间接影响了叶轮的功能]1[。如图2所示，气流通过进风口后，气流冲向叶轮后部，发生不应有的冲击，而且叶轮前部发生回流，会出现很大的涡区，能量损失很大。可以预见，通过改变进风口的形状，可改变气流进入叶轮的流动，减小涡区，还可提高叶轮前部的利用效率及通风机的效率。图2优化前模型子午面流场3集成优化3.1在OPTIMUS中建立集成流程通风机进风口几何尺寸为设计变量，以通风机的效率为目标，设计Optimus流程。求解器1是Gambit的求解器，求解器2是Fluent的求解器，jou文件1是Gambit使用的命令文件，jou文件2是Fluent使用的命令文件(见图3)。图3风机计算集成流程33.2建立命令文件建立可以提供给前处理软件的命令流，其中应包含所有必要的信息，同时还须保证内容简洁，注意设计变量调整变化时不发生干涉，命令无法执行等可能由于变量变化带来的影响。准备好Gambit使用的“jou文件1”，包含进风口的几何尺寸参数，将其作为设计变量。在Optimus中，默认的变量变化范围为其上下变化10％。同时输出mesh文件作为Fluent的输入文件。在“求解器1”中写入仿真代码，调用Gambit程序。在前处理结束后，得到了所需要的流体计算模型，就可以通过Fluent的命令流（textcommand）控制Fluent，把包含读入模型、写出文件、设置边界条件、设置求解器等信息的Fluent的jou文件作为控制求解器2的“jou文件2”。为了加快计算速度，使用了并行计算，写入了初始化、求解、显示残差、输出结果等命令。在求解器2中写入仿真代码，用来控制Fluent软件的调用。通过计算得出计算结果，在Fluent中可以直接得到的结果有：出口流量、出口压力、进口压力以及叶轮的扭矩。3.3建立结果处理文件最后是处理计算结果，可以取绝对值，也可以运用公式加工，Optimus提供了多种处理方法。把输出的结果汇集到“最后结果”,通过在其中写入效率公式，就可以计算得到通风机的效率。3.4优化方法和结果分析采用设计试验方法（DOE）进行计算，可以通过较少的试验次数，比较准确地反映设计变量和目标函数的关系。设计试验方法是一种设计空间探索技术，用来对设计空间进行初步探索，可以减小优化问题的计算规模。在OPTIMUS中提供多种DOE技术，包括拉丁方、随机试验设计、全参数、部分参数等。通过对DOE结果分析得知，只有减小截面尺寸的分析才是有效的，可以提高效率。因此，把变量的变化范围缩小，可以提高计算效率，减少计算时间。在DOE的基础上进行优化，OPTIMUS中提供了局部优化算法，如梯度算法和序列二次规划算法、全局搜索算法如自适应遗传算法；模拟退火法等。采用序列二次规划算法，在设定的空间内进行了7次迭代，图4为迭代过程。图4优化迭代通过优化计算，优化目标效率有了显著的提高，主要是出口的总压提高较多。计算得到的进风口形状见图5的右图。图5优化前、后进风口形状4图6优化后模型子午面流场图5中左边的圆锥形进风口为原模型的进风口，右边为优化计算得到的进风口形状。图6中得到的是优化后流场，与优化前的模型流场对比（见图2）可以看出，在叶轮进风口其他部位产生的“回流”明显减小，减少了能量损失，同时也有更多气流由叶轮前部流出，提高了叶轮前部的利用，改善了气流在涡壳内部的流动。通过对通风机进风口的优化，在对原通风机改动很小的情况下，可以有效提高通风机的性能（见表1），出口总压、流量等指标也都有所提高，效率提高了11.41％。表14结束语利用Fluent软件可以有效模拟通风机的流场，计算出通风机的性能参数。本文提出了使用多学科优化软件与流体计算软件集成，对离心式通风机的进风口进行优化计算。可以看出进风口的形状对通风机性能有明显的影响，尤其是进风口形状与其他部件的匹配，只有很好地匹配，才能减少能量损失。通过优化分析，可以在对原机型改动较小的情况下，明显提高通风机的性能。由于只对通风机的进风口进行了优化，没有分析叶轮、蜗壳，所以性能提高有限。如果对叶片也进行优化分析，可以预见，将会使通风机的性能有更大的提高。参考文献[1]B.埃克,通风机.机械工业出版社，1983.[2]沈阳鼓风机研究所，东北工学院.离心式通风机.机械工业出版社，1984.[3]FLUENT6.1Documentation,FluentInc2003.[4]OPTIMUS5.0Documentation,NosisInc2004.出口压力/Pa流量/(kg/s)效率/%优化前模型2707.995.49634.78优化后模型3288.525.98746.19