1、引言
離心風(fēng)機(jī)在車用空調(diào)中有著廣泛的應(yīng)用。由于空調(diào)送風(fēng)的風(fēng)速不宜過高，同時(shí)風(fēng)機(jī)的幾何尺寸受到車體限制，車用空調(diào)蒸發(fā)器的鼓風(fēng)機(jī)為了獲得合適的壓頭(300～900Pa)，通常選用前向多翼離心風(fēng)機(jī)。
此外，車用空調(diào)離心風(fēng)機(jī)往往還具有以下特征：葉輪外徑130～160mm，額定風(fēng)量240~ 480m3/h，轉(zhuǎn)速2500~ 4500r/min，電機(jī)功率200。400W。
由于市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的開發(fā)周期提出了挑戰(zhàn)，越來越多的風(fēng)機(jī)制造商需要尋求一種更為高效、簡(jiǎn)捷的研發(fā)手段，參數(shù)化設(shè)計(jì)便成為了首選。20世紀(jì)80年代中期cv公司首次提出了參數(shù)化的建模理念，在此之后的20年間，這種理念被迅速的接受并推廣至各個(gè)領(lǐng)域。
從早期的AutoCAD到今天的CATIA、UC、Pro/E等主流CAD平臺(tái)，都有很多人對(duì)它們進(jìn)行了參數(shù)化的實(shí)踐。沈建華和馬玉娥等人在風(fēng)機(jī)的CAD系統(tǒng)的開發(fā)上作了大量工作，并各自在不同的軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化的建模。沈國(guó)安、王海濤則是將風(fēng)機(jī)的參數(shù)化作為他們碩士論文的研究課題。
但是僅僅依靠建模過程中的參數(shù)化是不夠的，作為一個(gè)完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或優(yōu)化過程，還必須整合性能實(shí)驗(yàn)。由于風(fēng)機(jī)的幾何參數(shù)較多，單純的依靠實(shí)驗(yàn)很難對(duì)其進(jìn)行比較全面的分析，而且實(shí)驗(yàn)所需的物理制造和測(cè)量工作通常會(huì)大大增加產(chǎn)品的開發(fā)成本，開發(fā)周期也被延長(zhǎng)了。如果用虛擬實(shí)驗(yàn)替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，便可以有效避免上述問題。
蔡兆麟、李中云等人在文獻(xiàn)中論述了風(fēng)機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建方法，但他們并沒有將CAD建模整合到其中，因而只能處理結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的風(fēng)機(jī)模型，所能調(diào)整的參數(shù)也十分有限。此外，他們的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)的是具有通用特征的風(fēng)機(jī)，還不能應(yīng)用于具體的某一類型風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
Eui - Yong Kwon等在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出：在中高風(fēng)量工況下（以BEP - Best Efflciency Point點(diǎn)為參照），蝸殼對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響相對(duì)于葉輪將占主導(dǎo)地位。而這恰恰是車用空調(diào)蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)大部分時(shí)間下的工況范圍，因此對(duì)蝸殼幾何的優(yōu)化在車用空調(diào)系統(tǒng)中顯得尤為重要。
2、參數(shù)化建模
蝸殼的幾何模型實(shí)際上可以看成是由水平方向上一條內(nèi)壁線豎直拉伸得到。由于在結(jié)構(gòu)上蝸殼由蝸線區(qū)( PARTl)、蝸舌區(qū)(PART2)、擴(kuò)壓區(qū)(PARB)三部分組成，該內(nèi)壁線也可以相應(yīng)定義為蝸線段、蝸舌段和擴(kuò)壓段。
蝸線按照文獻(xiàn)[8]中的基本假設(shè)，即蝸殼各截面上的流量與該截面和起始截面之間所形成的夾角成正比同時(shí)氣流離開葉輪后不再獲得能量，可以推出為一條對(duì)數(shù)螺旋曲線。而根據(jù)早先由建筑HVAC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Atalla 1956＆1957)引入的“標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)機(jī)”的概念，蝸線也可以是一條線性螺旋曲線，在實(shí)際中兩種型線的蝸殼都有應(yīng)用。極坐標(biāo)下其方程分別為：
(1)線性螺旋線
以下如無特殊說明，所有與長(zhǎng)度相關(guān)的常量或變量的單位都是(mm)，與角度相關(guān)的常量或變量的單位都是。
由此可見，無論是何種類型的曲線，蝸線都可以由以上四個(gè)參數(shù)(Do.a、A、B)充分定義，而如果單純考慮蝸殼的優(yōu)化，Do將是給定的值。
蝸舌段由左右兩部分組成（圖1），左部為蝸線起始點(diǎn)（A角對(duì)應(yīng)）至擴(kuò)壓區(qū)起始點(diǎn)的圓弧（蝸舌），右部為蝸線終止點(diǎn)（B角對(duì)應(yīng)）至擴(kuò)壓區(qū)起始點(diǎn)的直線段。如果考慮附加約束，如相鄰段自然結(jié)合（結(jié)合處相切），該段曲線可以由如下參數(shù)限定：蝸舌半徑r、主擴(kuò)壓傾角C。如取蝸舌圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，蝸舌的參數(shù)方程可以表示為：
擴(kuò)壓段的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，為兩條傾斜直線。根據(jù)文獻(xiàn)，與蝸舌相接的傾斜段對(duì)擴(kuò)壓起著主要作用，而另一側(cè)一般不建議外擴(kuò)。但筆者認(rèn)為該側(cè)外擴(kuò)會(huì)對(duì)擴(kuò)壓起一定作用，因而將其用作輔助擴(kuò)壓（如圖l虛線所示）。因而定義該段結(jié)構(gòu)還需要考慮到輔助擴(kuò)壓傾角D和擴(kuò)壓段長(zhǎng)度L。實(shí)際上，如果已知出口的截面大小，也就相當(dāng)于確定了三。
以上三個(gè)部分組成了完整的蝸殼內(nèi)壁線，要形成蝸殼，只需要將該曲線沿豎直方向拉伸一定長(zhǎng)度即可得到蝸殼內(nèi)壁面。同時(shí)要確定完整的計(jì)算模型，還必須知道蝸殼與葉輪的相對(duì)位置，因而必須考慮如下兩個(gè)參數(shù)：蝸殼寬度d、輪底間隙e，如圖2所示。
3、準(zhǔn)確的數(shù)值模擬
研究的優(yōu)化對(duì)象是某公司生產(chǎn)的KQZN 4.5- 5.4型鼓風(fēng)機(jī)，如圖3所示，該風(fēng)機(jī)在新風(fēng)模式下額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定風(fēng)量400m3／Ii。實(shí)測(cè)該風(fēng)機(jī)在BEP工況下，轉(zhuǎn)速為3164r/min，風(fēng)量為357.08m3/h，效率為29.1%。
要能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的模擬，首先需要確定合適的計(jì)算模型。
搭建虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，必須以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，以此獲得研究對(duì)象的最基本的物理特性。同時(shí)，在數(shù)值計(jì)算中，必須充分利用已經(jīng)掌握的信息，以減小與真實(shí)現(xiàn)象的偏差。
例如，在該模型的計(jì)算中，可以根據(jù)BEP工況的測(cè)量值定義邊界條件，入口設(shè)定表壓為OPa，出口設(shè)定質(zhì)量流量0. 11486kg/b(當(dāng)?shù)乜諝饷芏葹?.158kg／m3)。Kind等人在文獻(xiàn)[9]中對(duì)這種鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出蝸殼內(nèi)部由于二次流的存在會(huì)形成復(fù)雜的三維湍流，因而適合用k-e二方程模型計(jì)算，但壁面處可以做適當(dāng)修正。而Eui -Yong Kwon等人采用標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型對(duì)車用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了非定常計(jì)算[7]，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合得較好，偏差不超過10%。
本文在研究中采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型計(jì)算，得到的性能曲線如圖4所示。除效率線外，其余性能線都能與實(shí)測(cè)值較好地吻合在6%以內(nèi)。效率的偏差主要是由于計(jì)算時(shí)只能取到輸出功率而不能計(jì)及機(jī)械效率，即輸出功與軸功之比。
決定計(jì)算精度的另一個(gè)重要因素是網(wǎng)格的質(zhì)量。為了提高虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)效率，必須實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)生成。而這也給網(wǎng)格的質(zhì)量提出了挑戰(zhàn)，筆者的做法是，對(duì)于不改變模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化（如改變蝸殼發(fā)展角），先進(jìn)行一次人工生成網(wǎng)格，然后將該操作過程完全移植到改變?cè)搮?shù)后的不同模型。但這并不能徹底地解決兩者的矛盾，這也是成功搭建虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)亟待解決的問題。
4、實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建流程
4.1 建立參數(shù)化幾何模型
在Pto/E中進(jìn)行三維建模，蝸殼的實(shí)體模型采用由底至上( BOTTOM - UP)的策略，即由線到體的順序建立。首先繪制內(nèi)壁線（分為5段），然后選擇內(nèi)壁線作為輪廓線進(jìn)行拉伸操作，最后還應(yīng)將集氣口從該實(shí)體上切除。葉輪則單獨(dú)建模，然后裝配至蝸殼內(nèi)部。得到完整的實(shí)體模型之后，利用Pro/E的族表功能，將需要優(yōu)化的參數(shù)引入（可以是Excel文件）。應(yīng)注意的是，有些參數(shù)并不會(huì)在模型中以變量形式出現(xiàn)（如蝸殼發(fā)展角a），在這個(gè)過程中需要建立這些參數(shù)與模型幾何變量之間的關(guān)聯(lián)，同時(shí)對(duì)某些參數(shù)應(yīng)附加約束，例如蝸殼終止角B應(yīng)滿足：360<B<360+A。至此，蝸殼幾何已完全可以由定義參數(shù)驅(qū)動(dòng)了。
4.2實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)生成
在GAMBIT中進(jìn)行的操作可以完全記錄于jou文件中，并可以通過外部調(diào)用使其在后臺(tái)執(zhí)行，這就為網(wǎng)格的自動(dòng)化生成提供了可能。有兩種途徑可以實(shí)現(xiàn)：通常采用的是先進(jìn)行一次人工劃分，然后將生成的jou文件進(jìn)行適當(dāng)修改，如增加循環(huán)判斷語(yǔ)句。改進(jìn)后的jou文件可以被新模型使用，同時(shí)可以控制網(wǎng)格自動(dòng)生成的質(zhì)量。該方法主要的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化，而且對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的模型（如改變?nèi)~片數(shù)），人工劃分的操作通常不能移植到后面的模型。
另一種方法是不進(jìn)行人工劃分而是直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)編譯jou文件，這種方法可以解決上面的兩個(gè)問題，但由于完全不能面向?qū)ο螅麄�(gè)網(wǎng)格的生成過程往往難以控制，因而經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要反復(fù)調(diào)試才能成功。因此，如果不是模型簡(jiǎn)單，一般建議采用第一種方法。
4.3自動(dòng)驅(qū)動(dòng)數(shù)值計(jì)算并取結(jié)果
與CAMBIT類似，F(xiàn)LUENT也有記錄操作的jou文件，同時(shí)它還有記錄控制窗口信息的script文件，因此它同樣可以按照上述兩種方法進(jìn)行數(shù)值迭代的初始設(shè)置，并通過查詢script文件的內(nèi)容獲得需要的結(jié)果。如出口靜壓、動(dòng)壓等。以上為整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建工作的核心內(nèi)容，當(dāng)然除此之外，前期的準(zhǔn)備工作以及后期的分析也是相當(dāng)關(guān)鍵的。圖5是整個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)流程。
葉輪的安裝高度即輪底間隙￡對(duì)該種風(fēng)機(jī)的性能有比較大的影響。間隙過大，容易增大泄漏損失，同時(shí)也會(huì)強(qiáng)化底部的二次流，甚至?xí)跀嗝嫔闲纬呻p渦。間隙過小，由于底面邊界層的影響，將會(huì)增大葉輪阻力，同時(shí)由于頂部間隙的增大，入口處的氣流分離加劇也會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響[10]。
筆者利用搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)該鼓風(fēng)機(jī)輪底間隙的影響進(jìn)行了研究。鑒于該風(fēng)機(jī)幾何存在固有約束，輪底間隙不能操過5 .5mm，因而選取了1、2、2.5、3、4、4.5、5mm等7個(gè)尺寸，其中3mm為實(shí)際模型的尺寸。計(jì)算模型的具體參數(shù)和結(jié)果見表1和圖6。可見，在其它參數(shù)不變的前提下，存在一個(gè)使風(fēng)機(jī)獲得最大壓頭的最佳輪底間隙(2,5mm左右)。該結(jié)果經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品。
6、結(jié)語(yǔ)
本文在總結(jié)目前風(fēng)機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)方面取得的進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了車用空調(diào)離心風(fēng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的方案，并認(rèn)為以下兩點(diǎn)是搭建其虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)：
(1)整合CAD系統(tǒng)的參數(shù)化建模；
(2)能夠準(zhǔn)確反映模型實(shí)際特征的數(shù)值模擬。
同時(shí)，現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)還存在某些不足，主要表現(xiàn)在：
(1)網(wǎng)格自動(dòng)生成的質(zhì)量較難控制；
(2)實(shí)驗(yàn)臺(tái)還未能整合風(fēng)機(jī)其它性能的分析，如強(qiáng)度、噪聲等。
實(shí)際上，網(wǎng)格自動(dòng)生成的質(zhì)量一直是虛擬實(shí)驗(yàn)的瓶頸，要根本性的解決這個(gè)問題，很大程度上要依賴于不斷改進(jìn)的網(wǎng)格劃分工具。而一個(gè)完善的
風(fēng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)必須能夠?qū)Ξa(chǎn)品的綜合性能進(jìn)行衡量和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科之間的優(yōu)化，這應(yīng)該是不可避免的趨勢(shì)。
