車用離心風(fēng)機的參數(shù)化設(shè)計及其性能預(yù)估_徐坤豪

1、 上海交通大學(xué)學(xué)位論文 車用離心風(fēng)機的參數(shù)化設(shè)計及其性能預(yù)估 THE PARAMETRIC DESIGN AND PERFORMANCE PREDICTION ON AUTOMOTIVE HVAC BLOWER 碩士姓名：徐坤豪 專 業(yè)：制冷與低溫工程 學(xué) 號：1040209288 指導(dǎo)教師：陳江平 教授 上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 2007 年 2 月 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集

2、體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密。 （請在以上方框內(nèi)打“”） 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 I 車用離心風(fēng)

3、機的參數(shù)化設(shè)計及其性能預(yù)估 摘 要 本文對車用離心風(fēng)機的性能進行了理論分析和數(shù)值研究，提出了其性能分析的理論方法和數(shù)值方法，通過實驗驗證，這兩種方法與實驗結(jié)果比較吻合，尤其是數(shù)值計算方法，具有更高的精度。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了車用離心風(fēng)機設(shè)計的數(shù)值實驗平臺，整合了參數(shù)化建模、數(shù)值模擬以及后處理功能。 應(yīng)用該平臺可以極大的提高風(fēng)機產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)效率，節(jié)約開發(fā)成本，具有推廣價值。 關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)，前向多葉片離心風(fēng)機，鼠籠式風(fēng)機，參數(shù)化設(shè)計，性能預(yù)估 II THE PARAMETRIC DESIGN AND PERFORMANCE PREDICTION ON AUTOMOTIVE HVAC BLOWE

4、R ABSTRACT A full-scale study on the performance of automotive HVAC blower, including theoretical analysis and numerical study is carried out in this thesis. Both the theoretical analysis and CFD method are introduced and validated by experimental data, which indicates that the CFD model matches the

5、 test results more, thus, a numerical design platform which incorporates parametric modeling, CFD modeling and post processing is derived for automotive-HVAC-blower design. This platform will significantly improve the design efficiency and economy in the field of fans and blowers if popularized. KEY

6、WORDS: Automotive HVAC, Multi-blade centrifugal blower, Squirrel-cage blower, Parametric design III 目錄 第一章 緒論.1 1.1 研究背景.1 1.2 研究現(xiàn)狀.3 1.3 本文主要工作.6 第二章 車用離心風(fēng)機的參數(shù)化設(shè)計.7 2.1 參數(shù)化設(shè)計思想 .7 2.2 蝸殼模型的參數(shù)化.7 2.3 葉片模型的參數(shù)化.10 2.4 其它部分的參數(shù)化.12 2.5 參數(shù)化設(shè)計的模塊化.13 2.6 本章小結(jié).15 第三章 車用離心風(fēng)機性能的理論計算.16 3.1 理想狀態(tài)下的性能曲線 .16 3.2

7、 損失.18 3.3 考慮損失后的性能曲線 .23 3.4 本章小結(jié).25 第四章 車用離心風(fēng)機性能的數(shù)值研究.26 4.1 CFD 技術(shù)在風(fēng)機領(lǐng)域中的應(yīng)用.26 4.2 湍流模型的選擇 .27 4.3 網(wǎng)格數(shù)量及近壁網(wǎng)格的影響.36 4.4 本章小結(jié).38 第五章 車用離心風(fēng)機的性能測試.39 5.1 風(fēng)機性能實驗 .39 5.2 測試結(jié)果及分析.43 5.3 本章小結(jié).46 第六章 風(fēng)機性能數(shù)值實驗平臺搭建.47 6.1 思路.47 6.2 過程.47 6.3 本章小結(jié).53 第七章 結(jié)論和展望.55 IV 參考文獻.56 致 謝.59 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄.60 V 符號說明

8、字母 Do 葉輪外徑 mm Di 葉輪內(nèi)徑(葉片內(nèi)切圓直徑) mm r 蝸舌半徑 mm L 擴壓段長度 mm 蝸殼膨脹角 Deg A 蝸殼起始角 Deg B 蝸殼終止角 Deg 螺旋線上升速度 mm/Deg pt 全壓 Pa ps 靜壓 Pa Q 風(fēng)量 m3/h n 轉(zhuǎn)速 rpm N 扭矩 N*m h 水力效率 % t 全效率 % bi 葉輪入口高度 mm ri 葉片進出口圓心距 mm pF 通風(fēng)機壓力 Pa psF 通風(fēng)機靜壓 Pa 增量 葉片滑移率 下標 1 葉片入口或風(fēng)機入口 2 葉片出口或風(fēng)機出口 bell 喇叭口 imp 葉輪 scr 蝸殼 m 徑向分量 u 周向分量 th 理論值

9、無限多葉片 縮略語 MRF Multiple Reference Frame 多重參考系 MM Moving Mesh 滑移網(wǎng)格 PIV Particle Image Velocimeter 粒子成像速度儀 LDV Laser Doppler Velocimeter 激光多普勒速度儀 1 第一章 緒論 1.1 研究背景 空調(diào)已經(jīng)是全球能耗群體中一個不可忽視的部分，根據(jù)最新統(tǒng)計，全世界建筑全年平均能耗的 25%以上由空調(diào)產(chǎn)生，而在汽車中空調(diào)能耗的比重在空調(diào)季節(jié)更是達到 30%以上。因此，空調(diào)節(jié)能具有相當(dāng)?shù)木o迫性。 離心風(fēng)機在汽車空調(diào)系統(tǒng)中是作為空氣循環(huán)的動力源，需要克服整個系統(tǒng)的阻力直至把空調(diào)風(fēng)

10、送入車廂內(nèi)或是把除霜的熱風(fēng)吹向擋風(fēng)玻璃，因此其性能好壞將會影響整個空調(diào)系統(tǒng)的性能，同時其效率也是影響整個空調(diào)能耗的重要因素。McGraw-Hill 公司 2004 年出版的一份全球采購報告1中指出，車用離心風(fēng)機在汽車空調(diào)系統(tǒng)能耗中的比重大約占到 30%左右。因此，考慮如何設(shè)計具有良好的工作性能和高效率的車用離心風(fēng)機的將是具有現(xiàn)實意義的問題。 離心風(fēng)機在空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置為蒸發(fā)器前側(cè)，其出風(fēng)方向與蒸發(fā)器迎風(fēng)面保持垂直（圖 1-1），主要包括四個部件，按氣流流動方向為：集流罩、喇叭口、葉輪、蝸殼。其中，集流罩的主要功能為切換空調(diào)的新風(fēng)模式和循環(huán)風(fēng)模式，因而嚴格的說，應(yīng)該屬于整個空調(diào)系統(tǒng)，而不是單

11、獨的風(fēng)機，本文將不予考慮。實際應(yīng)用中的車用離心風(fēng)機一般具有如下的特征：葉輪外徑 130-160mm，總壓升 300-900Pa，額定轉(zhuǎn)速 2500-4500RPM，功率 200-400W。 圖 1-1 汽車空調(diào)系統(tǒng)（上下殼） Fig 1-1 Automotive HVAC system (Up-case and lower-case) 2 圖 1-2 車用離心風(fēng)機的兩大部件:葉輪和蝸殼 Fig 1-2 Two parts of automotive HVAC blower: Impeller and scroll 由于汽車空調(diào)系統(tǒng)具有較大的水力阻力，離心風(fēng)機通常采用如圖 1-2 所示的前向多葉

12、片離心風(fēng)機，即鼠籠式風(fēng)機，這種形式的風(fēng)機具有較大的壓力系數(shù)，但水力效率卻不令人滿意，一般為 50%60%，而現(xiàn)今高效離心風(fēng)機能達到 80%甚至更高。因此對車用離心風(fēng)機來說，提高水力效率是增加其應(yīng)用價值的關(guān)鍵。 車用離心風(fēng)機的設(shè)計和制造都需要相當(dāng)?shù)募夹g(shù)實力。尤其是設(shè)計，國內(nèi)由于起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，大部分風(fēng)機制造商都不具備自主開發(fā)的能力，且生產(chǎn)的風(fēng)機形式單一，通常都是對某一特定形式的進口產(chǎn)品進行仿制。近幾年，由于市場需要，有部分企業(yè)開始進行了自主開發(fā)的嘗試，但采用目前相對傳統(tǒng)的經(jīng)驗式的設(shè)計方法往往周期較長，動輒數(shù)月，而且需要投入大量的人力、物力，往往使設(shè)計本身的價值大大降低。 在這種情況下，必須期

13、待一種高效、低廉的設(shè)計方法，使風(fēng)機產(chǎn)品的開發(fā)能夠適應(yīng)市場的需要甚至可以引領(lǐng)市場。而參數(shù)化軟件的不斷成熟和 CFD 技術(shù)在風(fēng)機領(lǐng)域的應(yīng)用為我們的風(fēng)機設(shè)計提供了一種新的思路。 80 年代中期 CV 公司部分工程師首次提出了參數(shù)化的建模理念，隨著數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，基于參數(shù)化理念的 CAD 軟件在各個領(lǐng)域尤其是制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在離心風(fēng)機的前期開發(fā)過程中應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計方法可以有效縮短重復(fù)設(shè)計的時間，提高設(shè)計效率，節(jié)約設(shè)計成本。 風(fēng)機產(chǎn)品開發(fā)過程中的另一重要環(huán)節(jié)是性能評估。目前，這方面的工作主要依賴風(fēng)室實驗，這也是公認最簡單最準確的測試環(huán)境。但對鼠籠式風(fēng)機而言，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何參數(shù)眾多，產(chǎn)生

14、的設(shè)計方案可能有成千上萬種，如果對應(yīng)每個方案都加工出相應(yīng)的實物模型再進行性能測試，勢必導(dǎo)致巨大的資源消耗，同時也可能由于開發(fā)周期的延長而使整個設(shè)計方案失去原有的價值。因此，越來越多的研究者開始尋求用數(shù)值模擬的方法進行風(fēng)機的性能預(yù)估。應(yīng)用數(shù)值模擬方法由于不需要加工出實際的樣品，也沒有實驗設(shè)備的限制，因此可以極大的縮短開發(fā) 3 周期和開發(fā)成本。但是由于其結(jié)果的精度很難估計，因此它始終不能完全替代實驗方法。現(xiàn)在普遍采用的方法是先用數(shù)值模擬的方法初選出幾種方案，再用實驗確定最佳方案?？梢姳M管存在缺陷，數(shù)值模擬方法依然極大的提高了開發(fā)的效率。 本文正是考慮了上述因素，提出一種將參數(shù)化設(shè)計和數(shù)值模擬結(jié)合起

15、來的風(fēng)機設(shè)計方法，在車用離心風(fēng)機的開發(fā)階段采用這種方法，可以有效的提高開發(fā)效率，同時也使得對風(fēng)機性能和效率的考慮能夠貫穿整個設(shè)計階段，克服開發(fā)過程的盲目性。 1.2 研究現(xiàn)狀 18 世紀中葉瑞士人 L.歐拉對流體力學(xué)研究所取得的成果為葉輪機械的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)2。他提出的風(fēng)機定常運轉(zhuǎn)的動量矩方程，已是風(fēng)機性能理論研究的核心內(nèi)容。早期風(fēng)機研究的主要障礙是缺乏流場測量的技術(shù)及裝置，而對車用離心風(fēng)機來說，葉片間的流動情況和葉片出口區(qū)域的流場對其性能的影響又尤為重要，因此，風(fēng)機性能的研究還是停留在理論階段，而風(fēng)機的設(shè)計依然處于“試”和“湊”的水平。本世紀下半葉，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，各種先進的測量儀器

16、在流體力學(xué)領(lǐng)域取得了應(yīng)用，這里面最重要的兩種流場測量技術(shù)是 PIV 和LDV。其中 PIV 是粒子成像速度儀的簡稱，LDV 是則激光多普勒速度儀的簡稱。前者是低頻的全流場測量手段，而后者則是高頻的單點測量手段。它們的出現(xiàn)使葉輪機械的研究重新煥發(fā)生機，它們對流場信息的準確捕捉使風(fēng)機的宏觀性能與其內(nèi)流特性可以建立聯(lián)系，同時在某種程度上也真正使風(fēng)機設(shè)計的理論可以繼續(xù)推進。可以說，近年來幾乎所有的涉及風(fēng)機流場的結(jié)論都用到了這兩種技術(shù)。除了純理論研究和實驗研究，CFD 技術(shù)也在葉輪機械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它的最大優(yōu)勢是簡單、快速而且提供的信息量巨大。借助 CFD 技術(shù)可以實現(xiàn)流場可視化同時也能彌補流場測

17、量的局限，例如，湍流脈動量的測量用現(xiàn)有的技術(shù)無法準確實現(xiàn)。 長期以來，離心風(fēng)機的葉輪一直是用流動充滿流道這一假設(shè)來進行設(shè)計的?？紤]零厚度的無限多葉片，結(jié)合一個考慮實際葉片數(shù)影響的修正因子（滑移率），是早期風(fēng)機設(shè)計的經(jīng)典研究方法3。后來發(fā)展起來的方法，是直接從有限葉片的流體通道出發(fā)，進行二維或三維的無粘流的位流分析。但無粘模型僅僅在具有完全吸附流的葉輪中，才能被用來進行流動預(yù)測。事實上，軸流式風(fēng)機采用這種模型是比較合適的，對后向葉片離心風(fēng)機也不會有太大的偏差。但對車用離心風(fēng)機這種前向葉片離心風(fēng)機，由于出口角的增大，在離心力和哥氏力的作用下，葉片出口的射流-尾跡流會對該處的流動吸附性造成較大的影響

18、，因而用無粘模型進行理論分析會產(chǎn)生很大的誤差。另外，風(fēng)機內(nèi)部出現(xiàn)的分離流，二次流等現(xiàn)象均 4 會引起風(fēng)機性能的下降。因此，必須對這些流動現(xiàn)象都有了本質(zhì)的理解，才能建立風(fēng)機設(shè)計全面的理論框架。正如 Eckardt 在 1976 所說4：改進離心風(fēng)機性能的最大前景在于用一個在很大程度上由于對真實流動現(xiàn)象的物理本質(zhì)上的了解而建立的設(shè)計過程，去取代現(xiàn)今普遍采用的以經(jīng)驗為主的設(shè)計方法。 因此，離心風(fēng)機設(shè)計方法的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐越?jīng)典方法為基礎(chǔ)，以風(fēng)機內(nèi)部的分離流、二次流、射流-尾跡流等的研究為重點，去探求風(fēng)機性能與其幾何結(jié)構(gòu)以及實際運行環(huán)境的普遍規(guī)律。 近年來，由于多翼離心風(fēng)機應(yīng)用的普遍性，國內(nèi)外開展了大

19、量的研究，以下是其中部分研究成果的介紹： 1.2.1 理論研究 Stodola5在歐拉方程的基礎(chǔ)上對離心風(fēng)機的有限葉片數(shù)影響進行了理論研究，基于葉片間的損失以相對渦流損失占主導(dǎo)以及無粘的假設(shè)，得到了葉片數(shù)影響的一般規(guī)律，并確定了滑移率的計算表達式。B.Eck6提出對多翼離心風(fēng)機的葉片，孤立翼型理論已經(jīng)不再適用。并在風(fēng)機葉片損失的理論計算中引入橫掠平板流動模型，得到了多翼離心風(fēng)機葉片間的流動阻力。Eck 還對蝸殼設(shè)計提出了理想方案，即在無粘情況下，蝸殼的理想型線為對數(shù)螺旋線，此時蝸殼內(nèi)部為有源的單渦流動。Peter Bradshaw7對蝸殼中出現(xiàn)的二次流進行了系統(tǒng)的研究，包括其形成的條件和產(chǎn)生的

20、損失。Howard8和 Sturge9引入零質(zhì)量流量的思想對葉片出口的射流-尾跡流模型進行了無粘性計算，但他們對該區(qū)域的控制方程分別采用了不同的處理方法。 1.2.2 實驗研究 Kind, R.J.和Tobin, M.G10首先對鼠籠式風(fēng)機進行了系統(tǒng)的實驗研究，他們總結(jié)了該類型風(fēng)機的壓力系數(shù)和流量系數(shù)的變化規(guī)律。黃宸武等人11對采用不同型線蝸殼 （阿基米德螺旋、對數(shù)螺旋、不等邊基螺旋等）的空調(diào)器用多翼離心風(fēng)機進行了性能比較，提出了采用不等邊基螺旋型線的蝸殼的靜壓和噪聲性能都是最優(yōu)的，說明在實際情況下，由于空間所限風(fēng)機張開度過小，Eck在蝸殼設(shè)計中的無粘假設(shè)會引起較大誤差。左文泉等對單圓弧葉型多

21、翼離心風(fēng)機和雙圓弧葉型多翼離心風(fēng)機進行了綜合的性能比較，結(jié)果表明具有較大圓弧半徑的雙圓弧葉型多翼離心風(fēng)機具有更好的空氣動力特性以及低噪聲特性。J.M. Wallace12 總結(jié)了蝸殼中渦量的各種測量方法，并強調(diào)熱風(fēng)測定法是目前最合理的方法。Susumu YAMAZAKI13 等對多翼離心風(fēng)機葉輪各流道進出口的速度分布進行了觀察，試驗結(jié)果表明:葉輪進出口有效的通流寬度分別約為葉片寬度的3/ 4 (進口) 和2/ 3 5 (出口) 左右;葉輪出口相對寬度小于0. 35 時,葉輪出口有效的通流寬度急劇減小;葉輪的內(nèi)外徑比和流量對于葉輪出口有效通流寬度的影響較小。Denger14和Shigeru KA

22、DOTA15分別采用PIV技術(shù)和火花追蹤法對車用離心風(fēng)機的內(nèi)流場進行了測試，證明葉道中存在氣流分離和回流，同時它們也是影響效率的主要因素。Richard J. Prevost16采用多種測量手段（熱敏電阻，PIV等）對車用離心風(fēng)機葉輪和蝸殼之間的流場區(qū)域進行了全面的測量，并通過實驗結(jié)果的分析，總結(jié)了流場和部分流動現(xiàn)象如葉片尾跡流、二次流的關(guān)系。 1.2.3 數(shù)值研究 Botros17應(yīng)用DOE(Design Of Experiments)方法和CFD分析對美國1957年起在建筑HVAC領(lǐng)域采用的“標準化風(fēng)機”的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了敏感度的研究，確定了葉片出入口角、輪轂形式開式或閉式、蝸殼擴壓角等參數(shù)

23、為風(fēng)機設(shè)計和優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)，在所進行的改進方案中，風(fēng)機的水力效率提高了7%-15%。Eui-Yong Kwon等18采用標準 k 模型對車用離心風(fēng)機進行了內(nèi)流場計算，在對流場各區(qū)域雷諾數(shù)比較的基礎(chǔ)上提出：在中高風(fēng)量工況下（以BEPBest Efficiency Point點為參照），蝸殼對風(fēng)機性能的影響相對于葉輪將占主導(dǎo)地位。S-J Seo19等對車用離心風(fēng)機的葉片受力提出了一種新的計算模型，利用該模型可以快速從CFD流場數(shù)據(jù)積分得到葉片表面的受力情況，基于該模型，他們還對風(fēng)機的蝸殼形狀進行了優(yōu)化。 上述研究為風(fēng)機的性能研究提供了理論基礎(chǔ)，也為形成新的風(fēng)機設(shè)計方法創(chuàng)造了條件。除了這些基礎(chǔ)性的研

24、究，國內(nèi)還出現(xiàn)了部分側(cè)重于風(fēng)機產(chǎn)品設(shè)計的應(yīng)用型研究，沈建華20和馬玉娥21等人在風(fēng)機的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實現(xiàn)了參數(shù)化的建模。蔡兆麟、李中云等人22,23在他們的著作中論述了離心風(fēng)機的數(shù)值實驗平臺的搭建方法，主要介紹了數(shù)值計算的方法和過程，同時也對該平臺具有的數(shù)據(jù)處理等功能進行了說明，經(jīng)過實驗驗證，該平臺具有與實驗較為接近的結(jié)果?？梢哉f，這些針對一般風(fēng)機的應(yīng)用型研究為車用離心風(fēng)機的設(shè)計提供了新的思路，然而，車用離心風(fēng)機依然存在其獨特性，不能完全照搬一般風(fēng)機的研究成果，同時，數(shù)值實驗平臺本身不具備通用性，因此有必要專門針對車用離心風(fēng)機進行性能研究，搭建其性能數(shù)值

25、實驗平臺，最終形成一種高效、合理的設(shè)計方法。 6 1.3 本文主要工作 本文的主要目的是探索一種新的車用離心風(fēng)機的設(shè)計方法，因而將從以下工作著手： 1) 車用離心風(fēng)機幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)化； 2) 車用離心風(fēng)機性能的理論計算； 3) 車用離心風(fēng)機性能的數(shù)值計算； 4) 車用離心風(fēng)機的性能實驗； 5) 車用離心風(fēng)機性能數(shù)值實驗平臺的搭建。 7 第二章 車用離心風(fēng)機的參數(shù)化設(shè)計 2.1 參數(shù)化設(shè)計思想 80 年代中期，當(dāng)時 CAD 領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者并在曲面算法上實現(xiàn)突破的CV(Computer Vision)公司內(nèi)部出現(xiàn)分歧，部分工程師提出了參數(shù)化的建模理念，但他們的思想當(dāng)時并沒有得到認同，即便是后來去了另

26、一家 CAD 軟件巨頭Applican 公司，命運依然相同。最后在他們的領(lǐng)導(dǎo)者，當(dāng)時 CV 的副總裁 Samuel Geisburg 的帶領(lǐng)下，一個劃時代的 CAD 軟件系統(tǒng) Pro/Engineer 問世了。從此參數(shù)化思想在 CAD 領(lǐng)域被廣泛接受并普遍應(yīng)用。 參數(shù)化設(shè)計的主要特點是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改。具體實現(xiàn)方式為所有三維形體都是通過二維輪廓線生成，為所有與尺寸相關(guān)的幾何約束分配特定的參數(shù)。最終生成的三維實體或曲面由所有的特征及相關(guān)參數(shù)共同組成。修改設(shè)計時只需要對參數(shù)進行改變即可實現(xiàn)。因此參數(shù)化設(shè)計可以極大的提高設(shè)計效率。 然而，參數(shù)化設(shè)計也存在其固有的缺

27、陷，主要表現(xiàn)在自由曲面的建模能力。無論是早期的 Bezier 曲面還是后來的 NURBS 曲面都無法簡單用幾個參數(shù)表示，同時其求交、裁剪的數(shù)學(xué)處理相當(dāng)復(fù)雜，無法可靠、高效的實現(xiàn)。而在很多工業(yè)領(lǐng)域如汽車、航天這樣的自由曲面造型是必需的，因此這些因素限制了參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用，這個問題的解決期待數(shù)學(xué)上的突破，目前已經(jīng)有相當(dāng)部分的數(shù)學(xué)家投身于這個領(lǐng)域，我們完全可以對參數(shù)化設(shè)計的前景表示樂觀。 本論文研究的車用離心風(fēng)機在結(jié)構(gòu)上并不涉及到自由曲面，因此可以完全實現(xiàn)參數(shù)化建模。 2.2 蝸殼模型的參數(shù)化 車用離心風(fēng)機的蝸殼在結(jié)構(gòu)上除了蝸殼本體外一般還會在出口有一段擴壓區(qū)域，這樣既可以實現(xiàn)和下游管路連接的自然過

28、渡，同時又可以獲得更大的靜壓頭。這樣，其橫截面通常由蝸線區(qū)（PART1）、擴壓區(qū)（PART2）兩部分組成，相應(yīng)的，截面輪廓線可以分為蝸線段、蝸舌段和擴壓段。蝸線段的輪廓線（簡稱蝸線）總是一條螺旋線，或者是線性螺旋或者是對數(shù)螺旋。圖 2-1 為典型的蝸殼橫截面的幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù) Stokes 環(huán)量不變定律及無能量損失的假設(shè)，在側(cè)壁平 8 行的條件下這條輪廓線應(yīng)為對數(shù)螺旋且與葉輪外徑線形相關(guān)。而根據(jù)早先由美國建筑 HVAC 工業(yè)標準(Atalla 1956&1957)引入的“標準化風(fēng)機”的概念，蝸線也可以是一條線性螺旋曲線，在實際中兩種形式的蝸線都有應(yīng)用，但在汽車空調(diào)中前者相對來說應(yīng)用更為廣

29、泛也更為合理。極坐標下其方程分別為： 1.線性螺旋線 ()tan/360/2OOR = D+D (2-1) 2.對數(shù)螺旋線 ln(12tan)/360()(/2)+R= DeO (2-2) 式中的OD 為葉輪外徑， 為蝸殼膨脹角（°）， 為蝸殼截面與起始截面的夾角（介于蝸線形成的角度 A 到終止的角度 B 之間，°）。其中蝸殼膨脹角的概念可能直觀上難以理解，但如果把包絡(luò)葉輪的圓柱面展開，可以表示為如圖 2-2所示的參數(shù)。由此可見，無論是何種類型的曲線，蝸線都可以由以上四個參數(shù)(OD 、 、A、B)充分定義。 蝸舌位于蝸線區(qū)和擴壓區(qū)之間，如果已知角度A半徑r以及下游的擴壓角C

30、，并考慮到與相鄰段自然相切等位置約束，則其方程可以很容易的用一段圓弧表示： =+=0,1(180)(180)()tACtARr (2-3) 該方程取蝸舌圓心作為坐標原點，而蝸舌圓心的位置(A, R(A)必須由蝸線方程得到，因此在幾何生成上還存在順序的問題，建模過程不具備可逆性。 擴壓段的結(jié)構(gòu)相對簡單，為兩條傾斜直線。根據(jù)文獻24，與蝸舌相接的傾斜段對擴壓起主要作用，而另一側(cè)（圖中右側(cè)）一般不建議外擴。但本文認為該側(cè)外擴可以用作輔助擴壓。因而定義該段結(jié)構(gòu)除上面提及的傾角 C 還需要考慮輔助擴壓傾角 D 和擴壓段長度 L。實際上如果已知下游連接管路的截面尺寸，也就相當(dāng)于確定了 L。 綜上，確定蝸殼

31、橫截面必須要建立如下參數(shù)體系：(OD 、r、L、 、A、B、C、D)。 9 圖 2-1 蝸殼橫截面幾何示意圖 Fig 2-1 Cross-section of scroll 圖 2-2 蝸殼膨脹角的表示 Fig 2-2 The expansion angle of scroll 在豎直截面上的情況相對來說要復(fù)雜一些，如圖 2-3 所示一般存在三種不同形式：簡單矩形蝸殼(a)、直角梯形蝸殼(b)、變高度矩形蝸殼(c)。簡單矩形蝸殼的實體模型實際上可以看成是由上面得到的水平截面豎直拉伸得到。而確定后面兩種形式蝸殼的實體模型除了拉伸特征外還必須確定內(nèi)外兩條三維螺旋線的方程。由于內(nèi)外兩條螺旋線在水平面

32、的投影分別對應(yīng)葉輪外圓和蝸線的一部分，實際上只要知道它們螺旋上升的速度 即可完全確定曲線。 圖 2-3 蝸殼的三種形式（豎直截面的變化規(guī)律） Fig 2-3 Three different scroll shape (vertical direction and view towards outlet) 10 圖 2-4 截面高度變化的蝸殼(對應(yīng)圖 2-1 中的 c) Fig 2-4 A scroll with variable cross-section height (c in Fig 2-1) 為便于方程的統(tǒng)一，將三種形式均化歸為直角梯形蝸殼，這樣在圖 2-1 所示的坐標系中，兩條螺旋線

33、(僅考慮對數(shù)螺旋)的極坐標方程分別為： 1.外螺旋線 =+=+0,1(180)(180)()(/2)1ln(12tan)/360tACtAZRDeO (2-4) 2.內(nèi)螺旋線 =+=0,1(180)(180)()/22tACtAZRDO (2-5) 這樣，通過改變 的取值，三種蝸殼的螺旋線的方程都可以用上面兩個方程表示，其中對簡單矩形蝸殼 1=2=0,對直角梯形蝸殼 1>2>0,對變高度矩形蝸殼1=2>0。 當(dāng)然，除上述主要的幾何參數(shù)以外，還有一些細節(jié)特征參數(shù)也是建模必需的，如喇叭口的直徑，導(dǎo)弧半徑等等，這些參數(shù)都可以直觀的進行測量，因而在此不再贅述。 2.3 葉片模型的參數(shù)

34、化 車用離心風(fēng)機的葉輪在結(jié)構(gòu)上主要由葉片和輪轂組成。其中葉片的形狀對風(fēng)機性能有較大的影響同時也是整個風(fēng)機模型幾何結(jié)構(gòu)上最復(fù)雜的地方。因此，下面將針對葉片形狀的參數(shù)化做詳細介紹。 11 葉片按其截面形狀可以分為直線型、圓弧型、機翼型（分別對應(yīng)圖 2-5 中的a、b、c）；按照其結(jié)構(gòu)特征分為前向型、徑向型、后向型（分別對應(yīng)圖 2-6 中的 a、b、c）。前面已經(jīng)說明，車用離心風(fēng)機屬于前向多翼離心風(fēng)機，而其截面形狀目前應(yīng)用最廣的葉片型式是圓弧型。 圖 2-5 不同截面形狀的葉片型式 Fig 2-5 Blades with different section shapes 圖 2-6 不同出口角的葉片

35、型式 Fig 2-6 Blades with different exit angles B. Eck 在文獻6中對不同的葉型進行了實驗的比較，給出了葉型設(shè)計的理論基礎(chǔ)，并提出不存在通用的最佳葉型。左文泉等也在文獻25中對特定型式的葉片的進行了比較。一般認為，機翼型葉片的風(fēng)機相對來說具有最好的性能，尤其是其噪聲特性。而圓弧型葉片次之，其設(shè)計目標一般是保證葉片流道內(nèi)的氣流實現(xiàn)勻減速運動。直線型葉片效率最低，不具有應(yīng)用價值。圓弧型葉片之所以被廣泛應(yīng)用于車用離心風(fēng)機，最主要的原因就是其制造相對簡單，加工精度容易控制。 圓弧型葉片根據(jù) B. Eck 的研究，必須在其前端加一段拋物線以保證氣流的均勻減速

36、。實際應(yīng)用中，通常在其吸力側(cè)用一段曲率更大的圓弧代替拋物線，因此，實際的圓弧型葉片截面是由 4 段圓弧組成的(圖 2-7)。 12 圖 2-7 葉片的幾何描述 圖 2-8 風(fēng)機細節(jié)特征參數(shù)圖 Fig 2-7 Blade geometric parameters Fig 2-8 Detailed parameter graphic of blower features 2.4 其它部分的參數(shù)化 完整的車用離心風(fēng)機模型還應(yīng)包括很多細節(jié)特征，例如喇叭口，輪轂，擋圈等。這些特征相對比較簡單而且具有一般零件的共性，因此這里不作詳細介紹，僅給出其參數(shù)圖（圖 2-8）。 將上述所有蝸殼，葉片，細節(jié)特征的參數(shù)

37、構(gòu)成一個參數(shù)系統(tǒng)，由該參數(shù)系統(tǒng)借助參數(shù)化的 CAD 軟件（如 Pro/Engineer，UG）即可生成完整的車用離心風(fēng)機的三維模型。如圖 2-9 和 2-10 為 Pro/Engineer 中生成的模型。 圖 2-9 蝸殼的參數(shù)化模型 Fig 2-9 Parametric 3D model of scroll 13 圖 2-10 葉輪的參數(shù)化模型 Fig 2-10 Parametric 3D model of impeller 該模型不僅可以用于加工或制造產(chǎn)品，更為重要的是，它也可以直接作為CFD 分析的對象。因此，可以說，參數(shù)化的模型是連接生產(chǎn)過程和開發(fā)過程的紐帶，而參數(shù)化過程是后面提到的風(fēng)

38、機數(shù)值實驗平臺的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。 2.5 參數(shù)化設(shè)計的模塊化 當(dāng)前主流的 CAD 軟件都具有開放代碼的功能，如果編制適當(dāng)?shù)拿盍鞔a，并將之嵌入 CAD 軟件運行，便可以實現(xiàn)自動建模。如果模型已經(jīng)參數(shù)化，還可以在外部自由改變各個參數(shù)以實現(xiàn)模型的改變，這個過程稱為 CAD 軟件的二次開發(fā)。各個軟件都有自己專屬的開發(fā)工具，例如 Pro/Engineer 的 ToolKit，UG 的Open，Catia 的 Automation，盡管它們的編譯環(huán)境存在差異，有的必須在 VC 下編譯，有的則可以在 VB 環(huán)境下編譯，但它們的實現(xiàn)思路完全一致，都是先遍歷檢索參數(shù)，然后給參數(shù)賦值，最后通過特征建模生成三維實體模

39、型。 基于上述思想，本文考慮將車用離心風(fēng)機的參數(shù)化設(shè)計進行模塊化。主要在Pro/Engineer 平臺下進行了實踐，利用其自帶的 ToolKit，在軟件中嵌入了車用離心風(fēng)機的設(shè)計模塊。 該設(shè)計模塊利用 VC 編譯的動態(tài)鏈接文件與 Pro/Engineer 的 ToolKit 函數(shù)庫實現(xiàn)通信。模塊隨 Pro/Engineer 啟動而自動啟動，并在其菜單欄加入該模塊的菜單（圖 2-11）。建模界面采用對話框方式，為 Pro/Engineer 默認的風(fēng)格（圖 2-9和 2-10）。對話框上半部分為所有參數(shù)列表，中部為參數(shù)示意圖，底部安排了命令按扭。其中“載入”按鈕實現(xiàn)參數(shù)的初始話，主要是將系統(tǒng)初始的

40、風(fēng)機模型調(diào) 14 入內(nèi)存，同時給參數(shù)賦初值，這樣可以使進行新的設(shè)計時有基本的尺寸參考，避免盲目性。參數(shù)修改后，由“再生”按鈕完成模型的更新?！皩?dǎo)出”按鈕是為了得到通用的實體文件格式，如 Stp 格式，可以為后面的數(shù)值模擬做準備。 圖 2-11 CAD 軟件啟動界面 Fig 2-11 The start-up interface of CAD software 通過該模塊化過程，風(fēng)機設(shè)計可以實現(xiàn)完全的面向?qū)ο?，人機交互，同時也將產(chǎn)品的生產(chǎn)用數(shù)字模型和數(shù)值模擬用計算模型完全的統(tǒng)一起來。 但模塊化的方法并不唯一，即使是在同一種 CAD 平臺或用同樣的編譯工具，本文在實踐中做出如下總結(jié)： 1） 編譯語

41、句與 CAD 二次開發(fā)工具的內(nèi)部函數(shù)庫之間的通信大體有兩種模式：同步模式和異步模式。同步模式與異步模式的區(qū)別在于前者一旦實現(xiàn)了通信，CAD 軟件即完全脫離外部命令，而在內(nèi)部完成所有的操作，因此相對于異步模式它具有快速的優(yōu)點，因此，建議采用同步模式進行參數(shù)化設(shè)計的模塊化編譯。而異步模式僅在軟件調(diào)試期間具有一定的價值，因為在該種模式下，CAD 軟件在接受指令的同時，控制權(quán)還是屬于外部的編譯系統(tǒng)，通過設(shè)置斷點便可以及時發(fā)現(xiàn)某些編譯過程中出現(xiàn)的錯誤。 2） 由于 CAD 軟件中特征再生的效率遠高于特征創(chuàng)建，在模塊化過程中進行風(fēng)機的預(yù)建?？梢蕴岣呱赡K的運行效率。同時，根據(jù)經(jīng)驗或現(xiàn)有產(chǎn)品建立的風(fēng)機模型對風(fēng)機結(jié)構(gòu)參數(shù)的修改提供了重要的參考，很大程度上可以消除創(chuàng)新設(shè)計的盲目性。 3） 如果風(fēng)機的型號較少并且不考慮其更新?lián)Q代，可以在模塊中增加相應(yīng)的選擇功能以方便得到相應(yīng)的預(yù)先建模的模型。而如果風(fēng)機型號較多或考慮產(chǎn)品型號的變化，可以建立數(shù)據(jù)庫對預(yù)先建模的風(fēng)機模型進行管理，通過編譯 15 系統(tǒng)或直接利用二次開發(fā)工具實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的修改。 2.6 本章小結(jié) 本章主要進行了車用離心風(fēng)機的參數(shù)化設(shè)計實踐，包含兩個部分，一是建立模型的參數(shù)系統(tǒng)，二是參數(shù)化設(shè)計的模塊化。參數(shù)化設(shè)計既可以在