可逆地铁风机用翼型优化设计与验证.pdf
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1、设计、研究、分析2024年第1期Design,Research&Analysis可逆地铁风机用翼型优化设计与验证高一鸣,张森,方浩楠,郑玉宙,谭兴国 2(1.河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作4540 0 3;2.哈密职业技术学院机电系,新疆哈密8 39 0 0 1)摘要:作为叶片设计的基本组成单元,可逆翼型的选取对整机性能的影响起着重要的作用。以性能较好的R18可逆翼型作为初始翼型,通过翼型优化方法得到一款优化翼型。利用Numeca软件对R18翼型构建的叶片进行气动性能计算并与标准风机试验台的数据进行比对,验证该数值方法的可靠性。在此基础上采用两种翼型构建两种叶片模型并用Numeca软
2、件计算气动性能,以此对翼型优化的设计效果作出评价。研究结果表明:在设计攻角范围内,优化翼型的升阻力特性均高于R18翼型;且在设计工况范围内,优化翼型设计出的风机全压提升5.43%,效率提升0.9 0 5%。表明该翼型优化设计方法确能提高设计出的可逆地铁风机气动性能。关键词:可逆翼型翼型优化攻角气动性能可逆地铁风机中图分类号:TB126/TH452Optimization design and verification of airfoil for reversible subway fanGAO Yiming,ZHANG Sen,FANG Haonan,ZHENG Yuzhou,TAN Xin
3、gguoAbstract:As a fundamental component of the blade,the reversible airfoil plays an important role in the overall performanceof the fan.Using the R18 reversible airfoil with good performance as the initial airfoil,an optimized airfoil is obtained throughthe airfoil optimization method.Numeca softwa
4、re is used to calculate the aerodynamic performance of the blades constructedwith R18 airfoil,and the reliability of this numerical method is verified by comparing it with the data from a standard fan testbench.Then,two blade models are constructed using two types of airfoils and their aerodynamic p
5、erformance is calculated byusing Numeca software to evaluate the design effectiveness of optimized airfoil.The research results indicate that within thedesigned range of the angle of attack,the lift and drag characteristics of the optimized airfoil are higher than the R18 airfoil;under the designed
6、operation conditions,the optimized airfoil has increased the total pressure of the fan by 5.43%and theefficiency by 0.905%.In conclusion,the airfoil optimization method can indeed improve the aerodynamic performance of thedesigned reversible subway fan.Keywords:reversible airfoil,airfoil optimizatio
7、n,angle of attack,aerodynamic performance,reversible subway fan文献标识码:A文章编号:10 0 2-6 8 8 6(2 0 2 4)0 1-0 0 7 3-0 6R 的基础上增加导流板个数并恰当布置,可以进一步优化出口速度分布,但当导流板的个数大于二块时,对流场的进一步改善效果不明显,建议采用二块导流板,后续结合试验确定导流板的准确位置。本文采用的导流板其弯曲段均为单一曲率,对多曲率结构导流板对流场的影响并未涉及,参考文献1张兆顺,崔桂香.流体力学M.北京:清华大学出版社,2 0 0 6.2于勇.FLUENT入门与进阶教材M.北京
8、:北京理工大学出版社,2 0 0 8.基金项目:南京铁道职业技术学院科研项目(自然科学类),项目代码:YZ220006。作者简介:孔祥峰(19 8 4-),男,山东日照人,硕士研究生,现就职于南京铁道职业技术学院,高级工程师,从事铁道车辆相关技术研究工作。收稿日期:2 0 2 3-0 4-1273(1)现代极械/Modern MachineryXiandai Jixie0引言城市地铁交通是解决大型城市公共交通的主要途径,目前在我国正在大力发展1。由于地铁交通用于日常通风和消防排烟的需求,作为地铁通风系统中关键设备的地铁风机也开始了大规模的应用和发展,与传统的单向风机不同,地铁风机要求完全可逆2
9、 。作为叶片设计的基本组成单元,可逆翼型的选取对整机性能的影响起着重要的作用3,因此,广大学者针对可逆翼型的设计进行了大量的研究工作。李超俊等4 率先提出了一种由原始翼型相同的两个机翼翼型反向对接形成的一种反向对称翼型,并对模型风机进行实验,结果表明该风机正、反风性能基本相同。席德科等5 针对可逆风机的使用条件,提出了一种寻找可逆风机用的可逆翼型的方法,并对其可靠性进行了验证。王晓航6 使用NACA0010-NACA0030翼型族作为初始翼型,以最大厚度位置为分界线,取前缘部分进行镜像拼接,最终得到可逆翼型。除了反向拼接得到可逆翼型外,还有部分学者通过设计“S”型中弧线来获得“S”型可逆翼型。
10、黄典贵7 采用公式对中弧线进行设计,并将基于NACA 4位数系列翼型反向搭接得到的“S”型可逆翼型厚度分布布置在设计的中弧线上,1.1优化设计方法由于优化翼型为完全对称翼型,翼型轮廓关于弦线和弦线中点完全对称,鉴于此特点,只需对四分之一曲线进行参数化,因此本文利用6 控制点5阶Bezier多项式对完全对称翼型进行表达的参数化设计方法,既能获得较高拟合精度,又能够主动控制翼型型线设计参数,贝塞尔曲线的控制点坐标如式(1)和式(2)所示。X=Xi=0X,=X,-1+(0.5-X,-1)kx i=2,3,4X,=0.5Yo=0Y,=Yi-1+(T/2-Yi-1)ky;i=1,2,3Y4=Y,=T/2
11、式中:X和Y分别为控制点的横坐标和纵坐标;T为翼型的最大相对厚度;kx,和ky分别为横纵坐标控制系数,其中kx,=(0,1),k y,E(0,1),采用上述设计方法对翼型型线进行构造,翼型轮廓如图1所示。T/2P(2)Ps从而得出所需要的S 型可逆翼型。Chacko等8 采Po用同样的设计方法构造出“S”型可逆翼型,并对3种不同厚度分布的“S”型翼型进行实验研究,最终得到最大厚度在30%弦长处的叶轮性能最佳的结果。对于不同形式的可逆翼型,国内外专家学者都进行了大量的研究工作,提出了多种可逆翼型的设计方法。然而,目前的设计方法自由度较小,人为影响因素较大,具有一定的局限性。因此本文选取性能较好的
12、R18可逆翼型作为初始翼型,通过翼型优化方法得到一款优化翼型,利用数值模拟以及与试验结果对比的方法来验证翼型优化设计方法的可靠性。1可逆翼型气动优化设计图1完全对称翼型的参数化表达由于翼型参数化设计方法中出现了6 个设计变量,具有较大的设计空间,很难人为选择出最优的翼型,鉴于此,本文通过Fortran语言编写上述翼型参数化设计程序代码,并将ICEM网格划分和Fluent流场仿真集成起来,利用MIGA算法对相应的目标函数进行求解,实现了完全对称翼型的优化设计,优化流程如图2 所示。将设计攻角处的升阻比作为设计目标,针对不同设计攻角,分别给予相应的权重值,最终将完全对称翼型的优化设计转化为单目标优
13、化问题,目标函数如式(3)所示。74设计、研究、分析12024年第1期Design,Research&Analysis输入设计变量情况来说,湍流模型只要能够满足一定的精度要求、占用计算资源少、计算时间短,就可以用于数值计实验设计算,本文拟选取 S-A端流模型对翼型进行计算求翼型坐标解。1.3结果与分析网格划分*.p文件遗传算法获得新的控制系数图2 优化流程(C,le,C lop,aimax:/=2o.(C,lailo Ca las Ca lep.ai式中:n为选取的设计攻角数;,为权重,2;=1,i=1,2,n;C,为升力系数;C,为阻力系数;C,la表示优化翼型在设计攻角处期望得到的升力系数
14、,i=1,2,n;Cal表示优化翼型在设计攻角处期望得到的阻力系数,i=1,2,,n;C,l e x p a 表示参考翼型在设计攻角;处的升力系数,i=1,2,n;Calepa表示参考翼型在设计攻角,处的阻力系数,i=1,2,n。1.2享翼型气动特性数值模拟方法Fluent软件将不同领域的计算软件组合起来,对于数值问题的计算速度、稳定性和精度等方面都有非常理想的结果9 。熊莉芳等10 应用k-8两方程模型通过对某管道流稳态的模拟并与理论分析比较,结果证明,k-8流模型对于内部的稳态或非稳态的充分发展瑞流都很适用。李文华和苏明军11 选用S-A湍流模型和k-8湍流模型对有壁面边界的空气流动进行计
15、算,结果显示S-A模型比k-8模型更易收敛,并为分析风力机翼型气动特性提供了一个较好的湍流模型在进行数值模拟时,不同的数值模拟技术具有不同的适用范围和精度,现阶段还没有找到对所有数值模拟都很好的流模型。对于数值仿真的计算以可逆翼型中性能较好的R18翼型为基础对数值计算*Jou文件目标函数最优?是得到优化翼型Cexp,;exp,i象,采用本文的翼型设计方法对R18翼型进行优化,给定设计状态为=15 m/s,Re=1 10,在保证翼型最大相对厚度不变的情况下,设计攻角选择位于升力系数曲线的线性段,选取3和6 攻角,并取权重值;=0.5(i=1,2),进行6 0 0 步迭代计算。优化后控制系数结果如
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