一种基于CFD的离心风机优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于CFD的离心风机优化方法，属于离心风机技术领域。

背景技术

离心风机是一种以气体为介质，能将机械能传递给气体，提高气体的压力并抽吸或压送气体的通用机械，广泛应用于工业、农业、民用等领域，如环保中通风除尘、空气净化、空调和消防排烟等都在广泛大量地使用离心风机。因此，对离心风机进行优化改进、提高其效率和性能，对节约资源和降低能耗具有重要意义。而在气体输送类应用场景中，离心风机常搭配管网一起工作，此时影响风机工作表现的除了风机自身特性外，还有管网的阻力系数。而以往的风机优化方法中，常专注于风机本身而忽视了管网的影响，致使风机自身性能曲线的高效点不等于在配合管网工作时的工况点，以致实际工作表现依然不佳。

可见，为解决上述技术问题，以提升风机的工作表现，亟需一种基于CFD的离心风机优化方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于CFD的离心风机优化方法，以CFD数值分析为工具，结合风机工作所配合管网的阻力特性，能够使风机实际工作的工况点与自身性能曲线最优点重合，以最大限度发挥风机的性能，降低工作能耗。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于CFD的离心风机优化方法，包括：

根据管网的工作情况和阻力系数确定工况点的目标参数，由目标参数设计离心风机的三维模型一；

对获得的三维模型一进行CFD流体仿真分析，绘制在目标转速下的性能曲线，其中，所述性能曲线为风机入口全压、全压升、功率和效率随风量的变化曲线；

根据获得的性能曲线判断风机性能是否符合性能要求，若是，将三维模型一作为结果输出，若否，则循环风机变量优化步骤，直至获得符合性能要求的三维模型二，将三维模型二作为结果输出，其中，风机变量优化步骤包括：

调整叶轮参数，根据调整后的参数获得三维模型二，对三维模型二进行CFD流体仿真分析，绘制在目标转速下的性能曲线，判断绘制的性能曲线是否符合性能要求。

进一步的，所述工作管网包括风机工作时所配合的入口管网和/或出口管网，阻力系数为实际工况下的阻力系数。

进一步的，所述工况点目标参数包括工况点风量、工况点风机全压升和工作转速，其中，

目标风量根据管网工作情况确定，由目标风量和管网阻力系数求出工况点风机全压，拟定风机工作转速。

进一步的，由目标风量和管网阻力系数求出工况点风机全压升的方法，包括：

若只有进口管网，则：

风机入口全压=目标风量*目标风量*进口管网阻力系数；

估算蜗壳出口面积；

由目标风量和出口面积计算得到出口气流速度，进而得到风机出口动压；

由出口动压和风机入口全压估算出风机全压升；

若进出口均有管网，则：

风机入口全压=目标风量*目标风量*进口管网阻力系数；

风机出口全压=目标风量*目标风量*出口管网阻力系数；

风机全压升=|风机出口全压|+|风机入口全压|。

进一步的，所述对三维模型进行CFD流体仿真分析，具体包括：

在风机出口拓展外部计算域，以该外部计算域表面作为出口，选择压力出口边界条件，数值为0，和大气压相等；

以风机入口作为入口，用流量Q

拟定若干组风量Q

进一步的，所述性能曲线的绘制方法，包括：

处理CFD流体仿真分析求得的数据结果，风机全压升=风机出口全压-风机入口全压；风机轴功率=轴转矩*转速/9550；效率=风量*风机全压升/风机轴功率；

以若干组风量为横轴系列值，风机入口全压、风机全压升、风机轴功率和效率为作为纵轴系列值，将数据绘制在图表中，得到风机性能曲线。

进一步的，所述性能要求包括风机入口全压和效率在工况点风量处达到最高并高于目标值，高效区工作范围够宽。

进一步的，判断风机性能是否符合性能要求的具体步骤包括：

判断风机入口全压和效率是否在目标风量下达到最高点；

若是，则进一步判断风机入口全压和效率是否高于目标参数；

若否，则执行风机变量优化步骤；

在所述进一步判断风机入口全压和效率是否高于目标参数中，

若是，则进一步判断性能曲线在工况点前后是否平稳；

若否，则执行风机变量优化步骤；

在所述进一步判断性能曲线在工况点前后是否平稳中，

若是，则判断风机性能符合性能要求；

若否，则执行风机变量优化步骤。

进一步的，所述叶轮参数包括叶片入口安装角、叶片出口安装角、叶轮入口宽度、叶轮出口宽度、叶片折弯半径、叶片入口直径、旋转扩压器直径、蜗壳宽度和蜗壳出口长度中的某一项或若干项。

进一步的，所述叶轮参数的调整方法，包括：

通过查看流线图，以三维模型一的叶片入口安装角为参考，结合气流偏离情况拟定叶轮参数值。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供的基于CFD的离心风机优化方法，以CFD数值分析为工具，结合风机工作所配合管网的阻力特性，在保留节省时间和成本的同时，能够使风机实际工作的工况点与自身性能曲线最优点重合，以最大限度发挥风机的性能，降低工作能耗。

附图说明

图1是本发明实施例一所述的基于CFD的离心风机优化方法的流程示意图。

图2是本发明实施例一所述的基于CFD的离心风机优化方法的具体流程示意图；

图3是本发明叶轮参数示意图。

实施方式

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例

图1是本发明实施例一中的一种基于CFD的离心风机优化方法的流程图。本实施例提供的一种基于CFD的离心风机优化方法可应用于终端，可以由一种基于CFD的离心风机优化装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的方式实现，该装置可以集成在终端中，例如：任一具备通信功能的智能手机，平板电脑或计算机设备。参见图1，本实施的方法具体包括如下步骤：

步骤A：根据管网的工作情况和阻力系数确定工况点的目标参数，由目标参数设计离心风机的三维模型一；

步骤B：对获得的三维模型一进行CFD流体仿真分析，绘制在目标转速下的性能曲线，其中，所述性能曲线为风机入口全压、全压升、功率和效率随风量的变化曲线；

步骤C：根据获得的性能曲线判断风机性能是否符合性能要求，若是，将三维模型一作为结果输出，若否，则循环风机变量优化步骤，直至获得符合性能要求的三维模型二，将三维模型二作为结果输出，其中，风机变量优化步骤包括：

调整叶轮参数，根据调整后的参数获得三维模型二，对三维模型二进行CFD流体仿真分析，绘制在目标转速下的性能曲线，判断绘制的性能曲线是否符合性能要求。

步骤Aa：所述工作管网包括风机工作时所配合的入口管网和/或出口管网，阻力系数为实际工况下的阻力系数。

步骤Ab：所述工况点目标参数包括工况点风量、工况点风机全压升和工作转速，其中，

目标风量根据管网工作情况确定，由目标风量和管网阻力系数求出工况点风机全压，拟定风机工作转速，将拟定的风机工作转速作为目标转速。

步骤Ac：由目标风量和管网阻力系数求出工况点风机全压升的方法，包括：

若只有进口管网，则：

风机入口全压=目标风量*目标风量*进口管网阻力系数；

估算蜗壳出口面积；

由目标风量和出口面积计算得到出口气流速度，进而得到风机出口动压；

由出口动压和风机入口全压估算出风机全压升；

若进出口均有管网，则：

风机入口全压=目标风量*目标风量*进口管网阻力系数；

风机出口全压=目标风量*目标风量*出口管网阻力系数；

风机全压升=|风机出口全压|+|风机入口全压|。

步骤Ba：所述对三维模型进行CFD流体仿真分析，具体包括：

在风机出口拓展外部计算域，以该外部计算域表面作为出口，选择压力出口边界条件，数值为0，和大气压相等；

以风机入口作为入口，用流量Q

拟定若干组风量Q

步骤Bb：所述性能曲线的绘制方法，包括：

处理计算求得的数据结果，风机全压升=风机出口全压-风机入口全压；风机轴功率=轴转矩*转速/9550；效率=风量*风机全压升/风机轴功率。以若干组风量为横轴系列值，风机入口全压、风机全压升、风机轴功率和效率为作为纵轴系列值，将数据绘制在图表中，得到风机性能曲线。

步骤Ca：所述性能要求包括风机入口全压和效率在工况点风量处达到最高并高于目标值，高效区工作范围够宽。

进一步的，判断风机性能是否符合性能要求的具体步骤包括：

判断风机入口全压和效率是否在目标风量下达到最高点；

若是，则进一步判断风机入口全压和效率是否高于目标参数；

若否，则执行风机变量优化步骤；

在所述进一步判断风机入口全压和效率是否高于目标参数中，

若是，则进一步判断性能曲线在工况点前后是否平稳；

若否，则执行风机变量优化步骤；

在所述进一步判断性能曲线在工况点前后是否平稳中，

若是，则判断风机性能符合性能要求；

若否，则执行风机变量优化步骤。

步骤Cb：所述叶轮参数包括叶片入口安装角、叶片出口安装角、叶轮入口宽度、叶轮出口宽度、叶片折弯半径、叶片入口直径、旋转扩压器直径、蜗壳宽度和蜗壳出口长度中的某一项或若干项。

步骤Cc：所述叶轮参数的调整方法，包括：

通过查看流线图，以三维模型一的叶片入口安装角为参考，结合气流偏离情况拟定叶轮参数值

如图2所示，本实施例提供的基于CFD的离心风机优化方法包括如下步骤：

步骤101，获取管网阻力系数，所述管网包括进口管网和/或出口管网。

在气体输送类应用场景中，风机常搭配管网工作，在转速和管网确定后，风机工作的工况点也随之确定，即风机自身性能曲线与管网阻力特性曲线的交点。若交点处于风机性能曲线的非高效区，则风机性能无法体现。本实施例中，以进口管网为例，说明获取管网阻力系数方法，管网阻力系数计算公式：

k= p

式中，k—管网阻力系数；p

采用CFD方法，入口增设外部流场，以外流场表面为入口，设置压力入口，数值为0，等于大气压；在管网出口截面设置压力出口，数值为pt，计算得到对应流量Q，即可求得阻力系数，可多次计算取平均值。

步骤102，获取工况点目标参数，所述目标参数包括工况点风量、工况点风机入口全压和工作转速。

本发明实施例中，需要保证风机和管网配合工作时的流量Q

步骤103，计算得到三维模型一。

本实施例中，三维模型一是以步骤102中的目标参数为设计条件，按照离心风机设计方法计算得到结构尺寸，所对应建立的三维模型。

步骤104，对三维模型一进行CFD数值分析。

数值分析包括模型处理，得到计算域，绘制网格，导入流体仿真软件进行求解计算。本实施例中无出口管网，故处理模型时在蜗壳出口增设外部流场，以外部流场表面设置压力出口；用流量Q

具体而言：拟定若干组风量Q

处理计算求得的数据结果，风机全压升=风机出口全压-风机入口全压；风机轴功率=轴转矩*转速/9550；效率=风量*风机全压升/风机轴功率。

步骤105，根据计算结果绘制目标转速下的性能曲线。

本实施例中，以数值分析结果中的风量为横坐标，入口全压、效率、轴功率为纵坐标，绘制出风机性能曲线。

步骤106，判断工况风量下风机性能是否高于目标参数。

本实施例中，在Q

步骤107，判断工况风量下风机性能是否为特性曲线最高点。

本实施例中，为使风机实际工作也能保证高效率，Q

步骤108，判断在工况风量前后风机入口全压和效率是否平坦。

本实施例中，为应对管网的调整及数值分析的误差，应满足风机入口全压和效率在工况点风量前后比较平坦，保证管网部分调整时，阻力特性曲线和风机性能曲线交点对应的效率和风量无显著变动。若是，则进入步骤109；若否，进入步骤110。

步骤109，将所述三维模型及对应尺寸作为结果输出。

本实施例中，在三维模型的性能曲线满足要求后，即可将三维模型作为结果输出。

步骤110，获取风机叶轮参数。

所述叶轮参数如图3所示，包括叶片入口安装角、叶片出口安装角、叶轮入口宽度、叶轮出口宽度、叶片折弯半径、叶片入口直径、旋转扩压器直径、蜗壳宽度和蜗壳出口长度中的某一项或若干项。本实施例中，通过查看流线图，气体在叶片入口分离明显，以三维模型一的叶片入口安装角为参考，结合气流偏离情况拟定叶轮参数值。

步骤111，得到三维模型二。

根据三维模型一的结构尺寸和改动的叶轮参数尺寸，建立三维模型二。

步骤112，对三维模型二进行CFD数值分析

本实施例中，对三维模型二的数值分析方法同步骤104，得到分析结果。

步骤113，根据计算结果绘制目标转速下的性能曲线

根据三维模型二的分析结果绘制优化后的性能曲线。

步骤114，判断性能曲线是否符合要求

所述要求同步骤106至步骤108，若是，则进入步骤109，将三维模型二作为结果输出。若否，则重复步骤110。可见，本发明可通过不断循环改变叶轮参数值寻找最优解，不仅限于优化模型二。另外，也可结合循环情况调整目标效率，以避免目标制定不合理而浪费时间精力和资源。

综上所述，本实施例提供的基于CFD的离心风机优化方法，以CFD数值分析为工具，结合风机工作所配合管网的阻力特性，在保留节省时间和成本的同时，能够使风机实际工作的工况点与自身性能曲线最优点重合，以最大限度发挥风机的性能，降低工作能耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。