风机优化设计——从碳纤维复合材料空气螺旋桨仿真说起

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：近日，仿真秀旋转机械订阅用户群讨论学习氛围高涨，用户希望我们邀请行业专家围绕旋转机械行业组织仿真解决方案讲座，主要需求包括：从压缩的/不可压缩的，原动机，工作原理解析旋转机械的类型；叶轮蜗壳的设计，模型处理，网格划分，边界条件设置，求解计算实操；旋转机械气动和噪声特性仿真实操，实验和仿真对标，旋转机械优化设计实例和典型旋转机械声、振信号处理方法及应用等。为此，我们计划自4月15日起，给行业用户带来旋转机械问题解决方案系列讲座，敬请期待。以下是正文：

一、碳纤维复合材料空气螺旋桨仿真

2021年下半年，一个偶然的机会接触了一个碳纤维复合材料空气螺旋桨仿真，在这之前，做过不少风机的性能仿真验证，我一上来就一顿操作猛如虎，对螺旋桨各种建模、网格剖分，结果一对实验结果，发现螺旋桨关心的拉力、扭矩和力效，仿真的精度很差，大于20%是常有的事，我也怀疑是不是实验有问题，也去现场参观了一下螺旋桨的实验，并拿到了实验结果，做了分析发现，实验虽然也有误差，但是总体波动还是很小的，几乎都在3%以内。

经过大量无关性参数验证分析发现，是MRF模型的厚度原因导致的，MRF厚度对风机关心的风量、风压并不敏感，而螺旋桨不一样，螺旋桨的拉力是旋转尾涡造成的，如果强制减少或增大该MRF厚度，会造成该拉力的减少或放大。

反过来说，实际很多采用MRF对风机进行风量风压仿真验证的时候，虽然跟实验对比的风量风压定量结果还可以，但是尾涡的定性结果是有问题的，很多仿真经验不是很足的工程师，喜欢用定量结果去验证仿真的精度，以此来说明仿真的各项的参数是准确的，这里面最宝贵的定性分析往往被忽略了。

个人认为，定性分析同样重要，比如通过以下风机压力和速度云图发现了不均匀的分布、而流线图和涡量图指出了具体的叶片涡量和扰流的位置区域，漩涡集中在风扇的进口上轮毂面和叶片的前缘，叶片前缘的安装角是固定的，当空气液流角与安装角之间匹配不好时，在该处会便会发生明显分离，从而产生大量漩涡。所以优化安装角是个优化的方向。

二、BladeModeler和Optislang风机优化设计应用

上述内容提到了安装角的优化，对于很多终端用户来说，通过扫描可以得到三维模型，但是每层的设计安装角很难获取，ANSYS有个冷门的工具叫BladeGen可以逆向识别每层的安装角，该工具识别过程采用工作流方式，一路往下点就可以完成逆向识别了，但是这里面的细节很容易造成识别失败；大部分的原因都在于原始几何不具备设计特点造成的。

这几年很多CAE厂家都在大力推广自己的优化设计软件，比如西门子的heeds、达索的isight、当然ANSYS也有optislang，各个软件都有基于数据的建模和预测功能，对于大部分人都没听说过的optislang，重新学习内部算法和软件的时间成本是很高的，2023版本开始，ANSYS直接把optislang内置在了workbench界面下，这对所有想用高级优化算法进行优化的工程师来讲无疑是个福音。

为了打通风机叶片逆向参数化、高效的求解和优化设计，采用ANSYS workbench集成了BladeGen、Design modeler、Fluent、Optislang全部工具，当流程搭建完成以后，风机参数优化只需要一周左右时间即可完成。

4月15日19时30分（周六），笔者受邀在仿真秀官网和APP带来《ANSYS BladeModeler和Optislang风机优化设计应用》讲座，以下是具体安排，欢迎报名和分享。

风机仿真设计（一）：ANSYS BladeModeler和Optislang风机优化设计应用-仿真秀直播

(完)

来源：仿真秀App

BladeModeler Fluent 复合材料旋转机械参数优化材料 ANSYS

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首次发布时间：2023-04-14

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