風機變異葉片的參數化建模

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　　由于數據分析的需要，本文需要多次改變葉片各個結構參數，研究參數改變對于葉片動轉矩輸出性能的影響。考慮到對變異葉片模型的重復建模需要巨大的工作量，因此本文利用Matlab強大的矩陣運算功能設計葉片特征曲線點云生成軟件，結合Pro／E軟件基于特征建模的特點，對變異葉片模型進行參數化建模。根據所采用的葉片曲面生成策略，具體的特征曲線參數化建模流程如圖3—3所示。根據以上流程，利用Matlab編程設計Savonius風機廠風機葉片模型點云生成軟件，軟件界面如圖3-4(a)所示，分別輸入4個葉片結構變量的參數，即可生成Pro／E曲面建模所需的特征曲線點云。將ibl格式的點云文件導入Pro／E，利用Pro／E基于特征建模的特點，經過擬合、掃掠、加厚、鏡像等操作，生成變異葉片的三維模型，具體過程如圖3．4所示。
　　3．1．4風場及交界面設計
　　考慮到風場邊界壁面對于流場的影響，根據風場設計的一般要求，在滿足網格劃分需求以及計算精度需求的前提下，盡量降低仿真模擬的計算量。經過多次試驗測試之后，確定了如圖3．5所示的風場模型，整個風場為長方體構造，風機廠風機葉片位于風場的中心，風場的尺寸設計如下：風場截面高度為1000mm，風場截面寬度為2400mm，風場長度為2400mm。由于研究對象為Savonius風機廠風機葉片的動轉矩輸出性能，需要對葉片的旋轉運動進行瞬態仿真，經過多次試驗，對計算結果的準確度及計算量、計算時間等因素進行綜合考慮，在Fluent動網格技術、Fluent滑移網格技術、CFXImmersedSolid等技術中選擇Fluent滑移網格技術進行葉片旋轉運動的仿真。因此需要將流場空間分成兩個不同的計算域，本文考慮使用交界面將流場區域進行分割，從而生成旋轉域和靜止域兩個計算域，其中葉片外表面與交界面圍成的區域為旋轉域，流場邊界與交界面圍成的區域為靜止域。交界面設計為圓柱形，交界面示意圖如圖3．5所示。
　　3．2數值模擬仿真體系構建
　　利用ANSYS Workbench提供的協同仿真環境平臺，根據風機廠風機葉片流場數值模擬需要將ANSYS提供的CAE產品組件進行組合，建立如圖3-6所示的能夠充分滿足分析需求的仿真體系。整個仿真體系由4個模塊構成，Geometry模塊主要負責導入Pro／E軟件生成的STP模型文件，并對模型進行適應性操作以滿足后期仿真需要；Mesh模塊主要負責計算模型網格的劃分及邊界條件的定義；Fluent模塊主要負責流體條件、邊界條件、計算模型、離散格式等流場計算參數的選擇和設定，以及完成計算求解過程；Results模塊在很大程度上解決了Fluent軟件后處理能力較弱的問題，使得后處理結果更加簡潔美觀。整個仿真過程沒有各種格式的冗余過程文件產生，極大的提高了仿真效率，優化了仿真環境。
　　3．3網格劃分策略
　　3．3．1網格劃分工具的選擇
　　網格劃分是CAE仿真分析非常重要的一個步驟，網格質量的高低會對計算結果的精準性和求解速度產生很大的影響，進行網格劃分的軟件自動化程度越高、網格劃分策略越先進，CAE仿真分析的效率就越蒯4 61。本文采用ANSYS Meshing作為網格劃分的工具，其網格劃分技術在ICEMCFD、Gambit等傳統網格劃分軟件的基礎上做出相應改進，ANSYS Meshing以非結構化的三角形／四邊形面網格為基礎，將邊界層處理、自動面網格劃分、曲率自適應等技術相結合，為用戶提供網格劃分、網格光順優化、網格曲面跟蹤、網格質量檢查等功能，以實現CFD流體分析中網格劃分的高度自動化。