專利名稱：基于正交試驗(yàn)的貫流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種貫流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，具體是一種基于正交試驗(yàn)的貫流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
貫流風(fēng)機(jī)又叫橫流風(fēng)機(jī)，是1892年法國工程師莫爾特(Mortier)首先提出的貫流風(fēng)機(jī)的葉輪為多葉式、長圓筒形，具有前向多翼形葉片。貫流風(fēng)機(jī)在家用電器(如電壁爐、 暖風(fēng)機(jī)、空調(diào)器、空氣清新器、冷柜及冷風(fēng)扇等家電產(chǎn)品)以及工業(yè)設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用，目前該產(chǎn)品國內(nèi)外每年的需求量都很大。隨著人們生活水平的提高和技術(shù)的發(fā)展，該產(chǎn)品朝著高效低耗、低噪聲等方向發(fā)展。據(jù)中國風(fēng)機(jī)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)表明，我國每年需要大量進(jìn)口貫流風(fēng)機(jī)系列產(chǎn)品，表明這類產(chǎn)品在國內(nèi)還有很大的市場(chǎng)潛力。但是，由于現(xiàn)在國內(nèi)該類產(chǎn)品基本是測(cè)繪仿制品，貫流風(fēng)機(jī)技術(shù)水平落后，存在著效率低、噪聲大、環(huán)境適應(yīng)性差、風(fēng)量達(dá)不到要求等問題，使得該類產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性與國外同類產(chǎn)品相比還有一定差距。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2011年國內(nèi)空調(diào)市場(chǎng)需求在高位基數(shù)上保持繼續(xù)增加，銷售額將達(dá)到1060億以上，作為理想的空調(diào)終端，貫流風(fēng)機(jī)的市場(chǎng)需求旺盛。另外，作為風(fēng)機(jī)行業(yè)的一個(gè)系列產(chǎn)品，它的發(fā)展對(duì)電機(jī)制造、機(jī)械加工業(yè)等有一定的促進(jìn)作用，可以帶動(dòng)家電產(chǎn)品如空調(diào)、取暖設(shè)備及空氣清新器等的發(fā)展，促使產(chǎn)品升級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明在數(shù)值計(jì)算貫流風(fēng)機(jī)三維內(nèi)部流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，提供一種基于正交試驗(yàn)的貫流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下(1)首先確定貫流風(fēng)機(jī)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的m個(gè)擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)；(2)根據(jù)上述m個(gè)擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，即m個(gè)試驗(yàn)因素，每個(gè)擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)給出η 個(gè)不同的數(shù)值以代表η個(gè)試驗(yàn)水平，采用正交表Lp (ρ —般取小于30的正整數(shù))，只要經(jīng)過 P次試驗(yàn)，就可以獲得P組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從中找出一組最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；(3)對(duì)ρ組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)全部進(jìn)行貫流風(fēng)機(jī)三維幾何建模，對(duì)相應(yīng)風(fēng)機(jī)運(yùn)用已知的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法進(jìn)行數(shù)值流場(chǎng)仿真，并計(jì)算風(fēng)機(jī)某一性能指標(biāo)風(fēng)量、效率或噪聲，或者計(jì)算對(duì)應(yīng)權(quán)重的所有性能指標(biāo)；(4)根據(jù)優(yōu)化得到的上述一組最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)其中每一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，針對(duì)其試驗(yàn)水平，在該值附近取η’個(gè)不同的試驗(yàn)水平，再采用正交表Lq，同上重復(fù)步驟(3)，從中找到一組更優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；(5)上述步驟(4)可反復(fù)進(jìn)行多次，即可獲得貫流風(fēng)機(jī)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合；一般情況下，步驟⑷只進(jìn)行0次或1次；(6)對(duì)貫流風(fēng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果來驗(yàn)證本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是否正確；
(7)如檢測(cè)結(jié)果不理想，適當(dāng)調(diào)整n、p、n’、q值，重新從步驟(2)開始進(jìn)行，直到步驟(6)獲得理想結(jié)果。優(yōu)選地，所述擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為7個(gè)，即蝸殼間隙、蝸舌間隙、葉片內(nèi)圓周角、葉片外圓周角、葉片數(shù)、葉輪內(nèi)外徑之比以及葉片扭曲角。當(dāng)所述擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的個(gè)數(shù)m = 7，試驗(yàn)次數(shù)ρ = 25，數(shù)值個(gè)數(shù)η = 5時(shí)，所述正交表*Lp(nm) =L25 (57)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1.本發(fā)明采用的正交試驗(yàn)法，是指運(yùn)用正交表安排試驗(yàn)方案和進(jìn)行結(jié)果分析的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。正交表是根據(jù)均衡分布思想，運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論構(gòu)造的一種數(shù)學(xué)表格，具有正交性、典型性以及綜合可比性等優(yōu)點(diǎn)。2.貫流風(fēng)機(jī)性能指標(biāo)的計(jì)算過程包括對(duì)給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維幾何建模，使用CFD前處理軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)置，運(yùn)用CFD軟件Fluent數(shù)值計(jì)算風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)。3.現(xiàn)行的貫流風(fēng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是以其中一個(gè)參數(shù)作為變量，其它參數(shù)為固定值，以某一性能指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，從而求得每個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值，組合起來得到貫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，但這些參數(shù)之間不是獨(dú)立的，是耦合的，因此上述求出來的參數(shù)組合不一定是最優(yōu)組合。而采用本發(fā)明的方法獲得的參數(shù)最優(yōu)組合基本上是最優(yōu)組合，大大提高了風(fēng)機(jī)性能。


圖1為本發(fā)明的貫流風(fēng)機(jī)的三維透視示意。圖2為本發(fā)明的貫流風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖,圖中1-扭曲葉片 2-蝸舌5-葉輪6-進(jìn)風(fēng)口ε。-蝸殼間隙 ε t_蝸舌間隙θ -葉片扭曲角η-葉片數(shù)Y -葉輪內(nèi)外徑之比(Y = d/D)
3-蝸殼4-電機(jī)
7-出風(fēng)口
α-葉片內(nèi)圓周角β-葉片外圓周角 D-葉輪外徑 d-葉輪內(nèi)徑
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖1是本發(fā)明貫流風(fēng)機(jī)整機(jī)的三維簡圖，風(fēng)機(jī)葉片采用扭曲葉片1，扭曲葉片1沿葉輪圓周方向角度不變即等距分布，在整個(gè)貫流風(fēng)機(jī)軸向長度方向上，每一葉片扭曲角度為葉片扭曲角。電機(jī)4驅(qū)動(dòng)葉輪5旋轉(zhuǎn)，2為蝸舌，3為蝸殼。如圖2所示，D為葉輪外徑(單位mm)，d為葉輪內(nèi)徑(單位mm)，α為葉片內(nèi)圓周角(單位° )，β為葉片外圓周角(單位° )，ε。為蝸殼間隙(單位mm)，ε t為蝸舌間隙 (單位mm)，n為葉片數(shù)，θ為葉片扭曲角(單位。)。假設(shè)葉片為兩段式圓弧葉片，葉輪轉(zhuǎn)速為1100r/min，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口 7的高度為35. 2mm，風(fēng)機(jī)整個(gè)軸向長度為298mm。確定貫流風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為ε。，ε t，α，β，η，γ ( γ = d/D)，θ等7個(gè)， 即7個(gè)試驗(yàn)因素，每個(gè)參數(shù)給出5個(gè)不同的數(shù)值以代表5個(gè)試驗(yàn)水平，S卩ε。= {1,2,3,4,4.5}, ε t = {2,3,4,5,6}， α = {50，60，70，80，90}， β = {20，30，40，50，60}，η = {12，18， 24，30，36}，γ = {0. 65,0.7,0. 75,0.8,0. 85}, θ = {0，30，60，90，120}。試驗(yàn)指標(biāo)假設(shè)為風(fēng)機(jī)性能指標(biāo)風(fēng)量，用體積流率來表示，即代表每小時(shí)通過貫流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口斷面的空氣體積，單位為m3/h。如果全部試驗(yàn)，共需要57 = 78125次試驗(yàn)，才能找到一組結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合。本發(fā)明采用下表所示的Lp(nm) = L25 (57)正交表，只要經(jīng)過25次試驗(yàn)，就可以獲得優(yōu)化解。
權(quán)利要求
1.一種基于正交試驗(yàn)的貫流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟(1)首先確定貫流風(fēng)機(jī)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的m個(gè)擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)；(2)根據(jù)上述m個(gè)擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，即m個(gè)試驗(yàn)因素，每個(gè)擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)給出η個(gè)不同的數(shù)值以代表η個(gè)試驗(yàn)水平，采用正交表Lp，經(jīng)過ρ次試驗(yàn)，獲得ρ組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從中找出一組最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，這里試驗(yàn)次數(shù)P —般取小于30的正整數(shù)；(3)對(duì)上述ρ組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)全部進(jìn)行貫流風(fēng)機(jī)三維幾何建模，對(duì)相應(yīng)風(fēng)機(jī)運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行數(shù)值流場(chǎng)仿真，并計(jì)算風(fēng)機(jī)某一性能指標(biāo)風(fēng)量、效率或噪聲，或者計(jì)算風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)權(quán)重的所有性能指標(biāo)；(4)根據(jù)優(yōu)化得到的上述一組最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)其中每一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，針對(duì)其試驗(yàn)水平，在該值附近取η’個(gè)不同的試驗(yàn)水平，再采用正交表L,，經(jīng)過q次試驗(yàn)，再同上重復(fù)步驟 (3)，從中找到一組更優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；(5)上述步驟(4)反復(fù)進(jìn)行多次，即可獲得貫流風(fēng)機(jī)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合；一般情況下，步驟⑷只需進(jìn)行0次或1次；(6)對(duì)貫流風(fēng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果驗(yàn)證本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是否正確；(7)如果檢測(cè)結(jié)果不理想，再適當(dāng)調(diào)整上述n、p、n’、q的值，重新從步驟(2)開始進(jìn)行， 直到步驟(6)獲得理想結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正交試驗(yàn)的貫流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為7個(gè)，即蝸殼間隙(ε。)、蝸舌間隙(ε t)、葉片內(nèi)圓周角(α)、葉片外圓周角(β)、葉片數(shù)(η)、葉輪內(nèi)外徑之比(Y)、葉片扭曲角(Θ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于正交試驗(yàn)的貫流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于當(dāng)所述擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的個(gè)數(shù)m = 7，試驗(yàn)次數(shù)ρ = 25，數(shù)值個(gè)數(shù)η = 5時(shí)，所述正交表為Lp (nm) —L25 (5 ) ο
全文摘要
一種基于正交試驗(yàn)的貫流風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以其蝸殼間隙、蝸舌間隙、葉片內(nèi)圓周角、葉片外圓周角、葉片數(shù)、葉輪內(nèi)外徑之比、葉片扭曲角等作為擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)即試驗(yàn)因素，每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)取n個(gè)不同數(shù)值即試驗(yàn)水平，采用正交表Lp(p≤30)，對(duì)每一次試驗(yàn)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法數(shù)值計(jì)算該組結(jié)構(gòu)參數(shù)下的貫流風(fēng)機(jī)性能指標(biāo)(風(fēng)量、效率、噪聲等)，根據(jù)性能指標(biāo)參數(shù)和對(duì)應(yīng)權(quán)重，從中找到一組優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。如對(duì)性能指標(biāo)要求很高，可再對(duì)所求出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，針對(duì)試驗(yàn)因素的每個(gè)試驗(yàn)水平，在該值附近取n’個(gè)不同的試驗(yàn)水平，再采用正交表Lq，重復(fù)計(jì)算性能指標(biāo)，可得到一組更優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。本方法簡單易行，成本低，時(shí)間短，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品性能好。
文檔編號(hào)F04D29/26GK102352865SQ201110251388
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者劉輝, 唐勇, 龐佑霞, 張昊, 朱宗銘, 梁亮, 許焰 申請(qǐng)人:長沙學(xué)院