試析微型軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘要：微型軸流電扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)一直是一個(gè)十分重要的研究課題，為了有效的提高微型軸流風(fēng)扇的性能，盡可能縮短其設(shè)計(jì)周期，并降低微型軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)成本，成為了當(dāng)前技術(shù)人員研究的主要目標(biāo)。本文中，筆者將通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)微型軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行淺要分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際效果。

關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)扇;優(yōu)化設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于微型軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)而言，需要經(jīng)過(guò)大量的分析計(jì)算和試驗(yàn)以得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，一款成功的微型軸流風(fēng)扇往往都要經(jīng)過(guò)十分漫長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期，花費(fèi)巨大的人力物力財(cái)力，而且得到的計(jì)算數(shù)據(jù)往往并非該型號(hào)微型軸流風(fēng)扇的最佳數(shù)據(jù)。在本文中，筆者將嘗試探討利用流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)替代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中的試驗(yàn)和計(jì)算部分，以完成新型微型軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

1優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成

就目前而言，主流的軸流風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法主要為以下兩種：孤立葉型設(shè)計(jì)法;葉柵法。筆者今天在這里探討的是一種基于孤立葉型設(shè)計(jì)法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合了流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)和遺傳算法等諸多理論，共同組建的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方式。首先，讓我們共同研究一下該系統(tǒng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)組成。

1.1系統(tǒng)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)

本文涉及到的微型軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要采用C++和Open"GRIP這兩種語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。這其中，C++語(yǔ)言的主要作用，是依靠其優(yōu)秀的計(jì)算能力，完成對(duì)于網(wǎng)格的劃分，風(fēng)扇參數(shù)的計(jì)算，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，以及優(yōu)化程序本身的確立。而Open"GRIP則主要用于完成風(fēng)扇的三維建模。實(shí)際上，隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，很多需要的功能都可以依靠其它軟件的功能集成來(lái)完成，譬如ANSYS的有限元模塊化分析和FLUENT流體仿真模塊。如果能夠有機(jī)的將這些現(xiàn)有軟件模塊功能加入到優(yōu)化系統(tǒng)之中，將能夠大幅度的提升系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，并盡可能的提升優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成

如果要了解整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成，我們首先要了解微型軸流風(fēng)扇的主要組成部分。微型軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)需要對(duì)包括風(fēng)扇外徑，輪轂比，安裝角，葉片弦長(zhǎng)，葉頂間隙等參數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算，而優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)要做的工作，就是完成對(duì)于以上數(shù)據(jù)的優(yōu)化計(jì)算，尋找出符合設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)參數(shù)。為了滿足系統(tǒng)性能，本套優(yōu)化系統(tǒng)包含四大模塊，分別是風(fēng)扇設(shè)計(jì)模塊，前處理器模塊，流場(chǎng)計(jì)算模塊和優(yōu)化計(jì)算模塊，每一個(gè)模塊都可以單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)算處理，同時(shí)也可以串聯(lián)在一起完成整體優(yōu)化工程。在提出設(shè)計(jì)目標(biāo)之后，首先通過(guò)風(fēng)扇設(shè)計(jì)模塊對(duì)風(fēng)扇的原始模型進(jìn)行設(shè)計(jì)或再編輯，然后再根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)軸流風(fēng)扇涉及到的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并確定哪些參數(shù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以及最終的優(yōu)化目標(biāo)。然后調(diào)用優(yōu)化模塊對(duì)所選擇的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并最終得到設(shè)計(jì)需要的最終高性能微型軸流風(fēng)扇。該過(guò)程可以通過(guò)流程圖進(jìn)行表述，流程圖見(jiàn)下圖。

2各部分模塊功能分析

在了解了優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本組成部分之后，為了進(jìn)一步對(duì)該優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，下面將對(duì)每一個(gè)模塊做出詳細(xì)的介紹。

2.1風(fēng)扇設(shè)計(jì)模塊

風(fēng)扇設(shè)計(jì)模塊是通過(guò)運(yùn)行孤立葉型設(shè)計(jì)法得到軸流風(fēng)扇的相應(yīng)幾何參數(shù)信息，并將這些信息傳遞到繪圖單元，進(jìn)行三維模型的繪制與創(chuàng)建。在這個(gè)過(guò)程中，主要設(shè)計(jì)分別對(duì)應(yīng)基本參數(shù)，基元級(jí)參數(shù)和其他各類參數(shù)的三大類，即Cyhcs，Cjycs和Cqtcs。Cyhcs"類別的主要作用是進(jìn)行風(fēng)扇基本參數(shù)的計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用孤立葉型設(shè)計(jì)法完成風(fēng)扇的參數(shù)計(jì)算，進(jìn)而得到每一個(gè)基元級(jí)的參數(shù)數(shù)據(jù)，并將這些參數(shù)數(shù)據(jù)帶入到基元級(jí)參數(shù)之中。Cjycs"類別則主要負(fù)責(zé)保存計(jì)算結(jié)果，采用最小二乘法對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行擬合，完成這項(xiàng)運(yùn)算之后，將使得弦長(zhǎng)、安裝角等數(shù)據(jù)過(guò)度的更為光滑，最大程度的保證葉片質(zhì)量，同時(shí)降低風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲。Cqcts"類別主要作用是產(chǎn)生彎扭的葉片，通過(guò)不同基元級(jí)的選擇，產(chǎn)生不同類型的葉片。通過(guò)以上三個(gè)類別的綜合運(yùn)用，就可以得到最終的三維模型，并對(duì)該三維模型就行保存，以方便接下來(lái)的運(yùn)算和導(dǎo)出。將整個(gè)編程過(guò)程分為三個(gè)類別，可以使得每個(gè)功能區(qū)實(shí)現(xiàn)自由隔離，這樣就能夠?qū)ζ渲械哪骋粋€(gè)類別進(jìn)行單獨(dú)編程，而不會(huì)對(duì)其他類別發(fā)生影響。在有新的設(shè)計(jì)方法需要加入到系統(tǒng)中時(shí)，只需要在源程序之中添加一個(gè)新的類別，就能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的升級(jí)，大大節(jié)省了軟件后起升級(jí)維護(hù)的時(shí)間與精力。

2.2前處理器和流場(chǎng)計(jì)算模塊

前處理器和流場(chǎng)計(jì)算模塊主要是采用GAMBIT和FLUENT軟件完成的，在本文介紹的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用GAMBIT和FLUENT軟件提供的基于命令流的方法，先使用軟件之中的腳本文件完成制作，然后再采用C++再編譯的方式，直接調(diào)用前面保存好的腳本文件，最終完成整個(gè)計(jì)算過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)軟件的自動(dòng)運(yùn)行。在前處理器中可以對(duì)風(fēng)扇的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行編譯，然后就可以通過(guò)軸流風(fēng)扇數(shù)據(jù)庫(kù)保存風(fēng)扇的各項(xiàng)參數(shù)以及最終的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果等重要參數(shù)信息。在流場(chǎng)計(jì)算模塊中，可以對(duì)前處理器中得到的文件進(jìn)行進(jìn)一步的處理，只要輸入各種相關(guān)參數(shù)，就可以調(diào)用FLUENT軟件對(duì)軸流風(fēng)扇進(jìn)行細(xì)致的流場(chǎng)計(jì)算，并保存成為完善的計(jì)算結(jié)果或相應(yīng)的參數(shù)曲線圖。

2.3優(yōu)化處理模塊

在這個(gè)模塊之中，大量的采用了遺傳算法，使用概率搜索技術(shù)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化。在本文描述的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，對(duì)于遺傳算法采用了二進(jìn)制的編碼方式，點(diǎn)交叉的基因交換方式和基本的變異方式。通過(guò)遺傳算法的計(jì)算，對(duì)前面得到的包括安裝角，葉頂間隙等詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化?？梢詫⒘髁炕蛘咻S流風(fēng)扇的效率作為優(yōu)化的目標(biāo)。但是在進(jìn)行優(yōu)化之前，必須將風(fēng)扇的設(shè)計(jì)模塊，前處理器，流場(chǎng)計(jì)算模塊中的優(yōu)化模式選中，這樣才能夠?qū)⑶懊孢@些模塊之中的所有數(shù)據(jù)完整導(dǎo)入到最終的優(yōu)化程序之中。在進(jìn)行最終的優(yōu)化處理時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將不同個(gè)體的三維模型，數(shù)據(jù)參數(shù)，流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件夾之中，方便調(diào)閱查詢。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述微型軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用性，我們以RF24S9225H型號(hào)的微型軸流風(fēng)扇作為研究對(duì)象。這種微型軸流風(fēng)扇的基本參數(shù)如下：安裝角為49°，轉(zhuǎn)速為3000R/MIN，葉輪直徑為84毫米，輪轂比為0.4，葉頂間隙為1毫米。使用上述的微型軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于該型號(hào)微型軸流風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化，選擇優(yōu)化對(duì)象為安裝角，優(yōu)化目標(biāo)為風(fēng)扇流量，優(yōu)化的限制條件為風(fēng)扇效率。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的分析和計(jì)算，最終得出的優(yōu)化后的安裝角為55°，與原本的49°安裝角之間相差了6°。隨后，我們對(duì)優(yōu)化后的風(fēng)扇和原始風(fēng)扇進(jìn)行了對(duì)比，在比對(duì)二者P-Q曲線和E-Q曲線后，我們不難發(fā)現(xiàn)，兩者之間的性能差異非常顯著。由于微型軸流風(fēng)扇的性能參數(shù)主要取決于流量大小，所以如上這種通過(guò)犧牲部分效率換取流量的增大的方式是十分可取的一種方式，能夠最大限度的增加其散熱性能。通過(guò)如上這個(gè)實(shí)驗(yàn)，筆者充分的驗(yàn)證了以上微型軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)的分析運(yùn)算，風(fēng)扇的靜特性已經(jīng)得到了非常不錯(cuò)的改善，能夠達(dá)到風(fēng)扇有化的目的，這也證實(shí)了上述優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李虹，劉維柱.微型軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進(jìn)的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì).2014，（9）.

[2]陳金鑫，賴煥新.微型軸流風(fēng)扇間隙流動(dòng)分析[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版.2013，（3）.

[3]吳文浩，柳品，金英子，錢紅玉，趙屹.微型軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào).2011，（7）.