基于CATIA的轴流风机叶片仿生参数化建模

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)吉林大学 作者:廖庚华

  为解决轴流风机仿生叶片三维造型不能直接应用提取的鸟翅膀翼型问题,通过对风机叶片的几何分析,推导出叶片二维平面叶型坐标到三空间坐标的转换关系。运用EXCEL对叶型截面各离散点进行处理得到相应的空间坐标;基于CATIA的自由曲面造型功能生成

  叶片曲面,再转化成实体叶片;采用FLUENT对所设计的轴流风机模型进行仿真分析,计算结果与设计要求比较吻合。

  近年来应用仿生技术改善风机气动性能成为最有效的途径之一。在轴流风机仿生翼型叶片优化研究中,叶片的3D实体建模需要解决将提取到的鸟类翼型截面数据转换成沿径向圆柱面上的三维坐标问题。杨春信和田彬等将普通叶片截面平面直角坐标到空间坐标的转换过程编写成程序,但没有介绍具体方法步骤,也没完全公开程序,无法知道其正确性。苑国强等只对轮毂为圆锥形的混流风机叶片截面参数进行了坐标转换,方法较为复杂且通用性不强。任腊春研究了风力机叶片设计和建模方法,但都不适用于轴流风机叶片设计。随着风机叶片仿生优化研究的不断深入,仿生叶片的3D建模成为叶片仿生优化分析的首要难题。

  本文通过坐标系变换推导出轴流风机叶型截面的平面直角坐标到空间三维坐标的转换公式,借助数据处理软件EXCEL和三维建模软件CATIA来实现某普通轴流风机叶片参数化模型的建立,并对实体模型进行了CFD分析,对比计算结果与设计性能要求,证明叶片参数化建模方法的正确性。

  1、坐标转换

  1.1、二维转换

  根据轴流通风机基本理论,分别以r和r+dr为半径从叶轮上截取一个圆环,并将其展开到平面上得到平面直列叶栅。图1所示的是其中一个叶型截面,每个叶片可以看作是从轮毂到叶尖由无数个叶型截面叠积而成。叶片的三维造型需将已确定叶片安装角为θ的翼型绕回到相应半径的圆柱面上,为改善叶片受力情况,将各计算截面的翼型重心都放在同一径向线上,用光滑曲线连接各截面后生成曲面。

  结束语

  通过对轴流风机叶片几何分析,建立了叶型截面平面坐标到风机三维坐标的转换方程。对设计的某轴流风机叶片采用CATIA进行了参数化建模,并借助流体分析软件FLUENT数值分析得到最大质量流量为2.23m3/s,接近设计目标值2.17m3/s,误差小于3%。数值模拟结果和设计要求十分吻合,证明叶片仿生参数化建模方法的正确性。本文侧重于探索翼型坐标转换方法,对实例风机只进行了数值模拟,没有进行性能试验,仅为下一步风机叶片仿生翼型优化设计研究打下基础。

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