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，筆者將通過對傳統(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

對于微型軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)而言，需要經(jīng)過大量的分析計(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)過十分漫長的設(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)語言開發(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這兩種語言進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。這其中，C++語言的主要作用，是依靠其優(yōu)秀的計(jì)算能力，完成對于網(wǎng)格的劃分，風(fēng)扇參數(shù)的計(jì)算，數(shù)據(jù)庫的建立，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)需要對包括風(fēng)扇外徑，輪轂比，安裝角，葉片弦長，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，首先通過風(fēng)扇設(shè)計(jì)模塊對風(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。該過程可以通過流程圖進(jìn)行表述，流程圖見下圖。

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)一步對該優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，下面將對每一個(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)過程中，主要設(shè)計(jì)分別對應(yīng)基本參數(shù)，基元級參數(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、安裝角等數(shù)據(jù)過度的更為光滑，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，通過不同基元級的選擇，產(chǎn)生不同類型的葉片。通過以上三個(gè)類別的綜合運(yùn)用，就可以得到最終的三維模型，并對該三維模型就行保存，以方便接下來的運(yùn)算和導(dǎo)出。將整個(gè)編程過程分為三個(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，大大節(jié)省了軟件后起升級維護(hù)的時(shí)間與精力。

2.2前處理器和流場計(jì)算模塊

前處理器和流場計(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)算過程，并實(shí)現(xiàn)軟件的自動(dòng)運(yùn)行。在前處理器中可以對風(fēng)扇的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行編譯，然后就可以通過軸流風(fēng)扇數(shù)據(jù)庫保存風(fēng)扇的各項(xiàng)參數(shù)以及最終的流場計(jì)算結(jié)果等重要參數(shù)信息。在流場計(jì)算模塊中，可以對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軟件對軸流風(fēng)扇進(jìn)行細(xì)致的流場計(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。通過遺傳算法的計(jì)算，對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。可以將流量或者軸流風(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)對于該型號(hào)微型軸流風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化，選擇優(yōu)化對象為安裝角，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，我們對優(yōu)化后的風(fēng)扇和原始風(fēng)扇進(jìn)行了對比，在比對二者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。

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