基于风扇叶型周向参数化的优化研究

文章 编 号 ：１ ６ ７ ３ — ３ ８ ５ １（ ２ ０ １ ３ ）０ 卜０ ０ ８ Ｉ － ０ ６
基 于风 扇 叶型 周 向参 数 化 的优 化研 究
朱立夫 ， 金英 子 ， 赵 屹 ，吴泳敏 ， 孙 哲
（ 浙 江理 工 大 学机 械 与 自动 控 制 学 院 ， 杭州 ３ １ Ｏ ０ １ ８ ）
扇模 型 ， 对 优化 前后 的叶片参 数 、 静特 性 和流场 进 行
轴 流 风 扇 所选 用 的 叶 片翼 型 大 都 为航 空 翼 型 。
已有 的性能 优 良的机 翼翼 型或 螺旋 桨翼 型均 可用 于
对 比分 析 ， 最后 对优 化前 后风 扇进 行实 验测 定 ， 并 与
数 值模 拟 结果进 行对 比 。
出定性 合理 、 可 变性较大 的叶型 。实际上 设计 参数越 多， 叶型可变性越 大 ， 但优化计 算工作量 也越大［ 。
１ ． １ 翼 型参 数
行参数化 ， 基于人工神 经 网络 Ｂ Ｐ算法和遗传算法 的数值 优 化方法 ， 以风扇 静压 性 能为优 化 目标 ， 通 过
寻找合 适 的周 向弯 曲角 度 ， 从 而 得 到 性 能更 优 的 风
浙 江理 工 大 学学报 ， 第３ Ｏ卷 ， 第 １期 ， ２ ０ １ ３年 １月
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ — Ｔ ｅ ｃ ｈ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ０，Ｎｏ ． １， Ｊ ａ ｎ ．２ ０ １ ３
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ —０ ６ —０ ５
叶 片 的设 计 上＿ ８ ］ 。所 以对 于小 型轴 流风 扇通 常采 用
孤立 翼 型设 计法 。
基 金 项 目 ：国 家 自然科 学 基 金 （ ５ １ ２ ７ ６ ｌ ７ ２ ） ； 浙江 省科 技 计 划 项 目（ ２ ０ １ １ Ｃ１ ６ ０ ３ ８ ， ２ ０ １ １ Ｃ １ １ ０ ７ ３ ） ； 浙 江 省 自然 科 学 基 金 项 目（ ５ １ ０ ０ Ｇ ０ ９ ０ ）
扇进行静特性 实测 ， 并与数值模拟 结果进行 对比。结果表 明 ： 优 化后得 到 了不 同参数化 方法 的优 化模 型 Ａ 和 Ｂ， 分
别为倾斜叶型和 弯曲叶型 ， 两模型 的静压均较优 化前提 高了近 ２ Ｏ ， 静特性 和 流场状 况也均优 于原 始模 型 ， 实验数
据和数值计算结果趋 势相 同且 数值 接近 ， 达 到 了对周向参数优化 以提 高风 扇性 能的 目的 。 关键词 ：小型轴流风扇 ； 优化设 计 ； 叶型参数化 ；遗传算 法；风洞试验
摘
要 ：选取直叶 片叶型 小型轴 流风 扇为研 究对 象， 以静 压为优化 目标 ， 优化 方法为遗传算法和近似 函数 方法，
优 化 计 算 得 到 性 能 更 优 的风 扇 模 型 ， 分 析 研 究优 化 前后 风 扇 静 特 性 及 流 场 的 变 化 ， 利 用 风 扇 测 试 系统 对 优 化 前 后 风
作者简介 ：朱立夫（ １ ９ ９ ０ ） ， 男， 江苏淮 安人 ， 硕士研究生 ， 主要从 事流体 机械及工程方 面的研究。
通信作者 ： 金英 子 ， 电子邮箱 ： ｊ ｉ ｎ ． ｙ ｚ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
浙
江
理
工
大
学
学
报
２ ０ １ ３年
第３ Ｏ卷
中弧线 是 根据 给定 的参考 长度 或子 午面 的优 化
效果 。
要 步骤 。研究 人员 可 以很 方便 地 通过 控 制几 何 参 数 的变化来实 现模 型 的改 型 。对于 风扇 三 维模 型 的优 化， 如果 直接针 对 以离 散 型或 者 Ｃ ＡＤ模 型形 式存 在
的叶型 ， 则是无 法 实现 的 ， 因 为需要 控 制 的参 数 可 能 是成 千上万 。但 通过拟合 得到 的参 数化 的 叶型 ， 仅需 对某几 个参数进 行 自动调 整和控 制 ， 便可 以优 化得 到
式， 为 电子 元器 件 降 温 冷却 ， 是 电 子 产 品最 有 效 、 最
便捷的散热手段。为 了提高风扇性能 ， 风扇叶片常 采用 弯 、 掠、 扭、 倾 斜 等 设 计 。国 内外 学者 针 对 叶 型 设 计 技术 ， 如端 壁 子 午 成 型＿ １ ］ 、 端 弯 技 术［ 、 前 掠 叶 片 和弯 扭 叶 片¨ ３ ］ 等开 展 了大 量研 究 ， 取得 了很 多 研 究 成果 ＿ ６ ＿ 。对 叶型 优 化设 计 是 设 计 者 研 究 的 重 点 和难 点 ， 当前优 化设 计 多是针 对 改进 二维 叶型 ， 对 三
合 理叶型形 状 。叶片气 动 优化 设计 的成 败在 很 大 程 度 上取决 于叶片参数化方 法 的选 择 。在参数 化 时 ， 为
提 高优 化速度 ， ～ 般要求 达到用较 少 的设 计参 数确 定
本 文 选 取 叶片 叶 型小 型 轴 流 风 扇 进 行 优 化 设
计， 利 用 ＮＵＭＥ Ｃ Ａ的 Ｄ Ｅ Ｓ Ｉ ＧＮ－ ３ Ｄ 模 块 对 叶 片 进
中图分类号 ： ＴＭ９ ２ ５ ． １ １ 文 献 标 志码 ： Ａ
０ 引 言
小型 轴流 风扇 是计 算机 和航 空航 天设 备必 要 的 冷 却元 器 件 。这 种 旋转 机械 散热 利用 强制 对流 的 方
１ 叶片参数化造型
叶片参数化造 型方法是 优化设计 的基础 ， 该 方 法 可 以对设 计对象 进行建模 ， 并 提供设 计变 量 。叶片几 何形 状 的定义 和控 制 是 叶片 气动 优化 设 计 的一个 重
无量 纲构造 面 中定 义 的 ， 然 后 转 换 到 流 面上 。中弧
１ ． ２ 叶素 积叠参 数 从 叶 根 到 叶顶 ， 不 同径 向剖面 的翼 型组 合 成 一 组 叶素 ， 所谓 叶片 积 叠线 即是 沿 径 向连 接 叶 素 的 曲 线 。积 叠线 的形状 与位 置在很 大程 度上 可 以反 映 出 叶片 的变形情 况 ， 特 别 是 弯掠 变 化 。叶素 积 叠 方式 有前 缘 积叠 、 尾缘积 叠 、 重 心 积叠 、 最 大厚 度积 叠 ， 弦 长 中心积 叠 。小型 轴流 风扇 常采用前 缘 积叠 和重 心