我眼中的叶轮机械设计仿真优化行业

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本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了叶轮机械的设计仿真优化相关内容，包括叶轮机械的定义、分类、应用场合和功能，以及轴流式通风机的设计理论、设计仿真感想和工业设计软件和仿真软件的应用。文章指出，叶轮机械设计仿真优化从业者需要深厚的理论知识、丰富的工程经验和设计仿真软件使用精通三个维度的加持，选择几本理论书籍、积累工程经验、选择一款优秀的设计仿真软件，是通往叶轮机械设计仿真优化成功的必经之路。

温馨提示，本文有三千字，且无图表，可能阅读起来很枯燥。

本文除援引标准的相关定义以及设计手册上的设计理论论述外，其余部分为作者原创，全文未经作者同意，禁止转载。

本文阐述了叶轮机械在设计仿真优化行业的相关内容，源于作者仅从事某一种叶轮机械，可能存在观点片面不全面、甚至不合理乃至错误，敬请各位批评指正。

下面正式开始谈一谈。

一、叶轮机械是个啥

叶轮机械，从属旋转机械领域，也被称之为涡轮机械、透平机械，在国民经济、工矿企业、国防军工中有着广泛的应用。

对叶轮机械的分类有很多，典型来讲，按照流体介质来分，主要是气体介质（常见如空气）和液体介质（常见如水）叶轮机械。

针对气体介质叶轮机械，我们通常称之为“风机”（当然还有涡轮増压器和涡轮冷却器，本文暂不讨论）。按照JB/T2977-2005《工业通风机、透平鼓风机和压缩机名词术语》中的描述,风机“是通风机、透平鼓风机和透平压缩机及回转式鼓风机的总称”。

从设计理论、结构复杂性等方面来讲，通风机相比而言较为简单，并且，通风机在应用中也是应用最为广泛的，比如家用电风扇、汽车冷却风扇、地铁轴流通风风机等等，本文主要讨论通风机相关内容。

我们来看GB/T19075-2003《工业通风机词汇及种类定义》，通风机定义为“是种能接收机械能的旋转式机械，它借助一个或多个装有叶片的叶轮来保持空气或其他气体连续的流过通风机,而且其单位质量功一般不超过25kJ/kg"。

通常，我们按叶轮内流道定义通风机的型式,主要分为轴流式通风机、离心式通风机、混流式通风机、横流式通风机、环形通风机、多级通风机、筒形离心式通风机、分路通风机,详细定义见GB/T19075-2003。

二、叶轮机械产品功用

任何工业产品都有应用场合和预定功能的，通风机是用来做什么的呢？总结起来通风机就是用来通风换气、散热冷却、辅助增压、空气循环、机械负载。

通风换气和散热冷却是通风机功能应用的老本行，我们家用电风扇即是用来给人体通风散热用。辅助增压的话，主要针对压力较高的离心式通风机来讲,通过离心风机产生较高的压力，来进行辅助増压，比如用来给氧气系统提高供气压力。空气循环也很好理解，就是用来给某环境舱(特别是密闭无人舱室)进行通风换气并使空气循环。机械负载的意义在于，通风机可以用来消耗涡轮机械功，并加以利用。

三、轴流式通风机

通风机型式众多，结构原理差异性较大，本文旨在讨论轴流式通风机。

轴流式通风机相关规定可参见JB/T10562-2006《一般用途轴流通风机技术条件》，结构型式上常见有电动机驱动型、机械轴（齿轮箱、花键）驱动型、皮带（链条）驱动型，气动型式上常见有单独叶轮级、前导流器加叶轮级、后导流器加叶轮级、前导流器加叶轮加后导流器。在气动上我们一般规定，具有导流器叶片静子和转子叶片的为一个完整的级。

我们参考2011年第2版商景泰主编的《通风机使用技术手册》来说一下轴流式通风机的设计气动理论，机械结构设计不予讨论。

通常，有关轴流式通风机设计理论的书，都会先行介绍叶栅、翼型、几何参数、气流参数，以及速度三角形，这是设计轴流通风机最基本的也是最根本的理论基础我们必须熟知。

这里需要补充的一点是，吴仲华先生的两类流面理论，即S1和S2流面，S1流面是在叶片排上游处或叶片通道中间与垂直于Z轴的平面的交线是一条接近于圆弧的曲线。

一般来说，S1流面是翘曲的，但在采用轴对称假设的情况下，S1流面就是以流面上任意一条流线为母线绕旋转轴而得出的一个回转面。

S2流面是在叶片排上游处或叶片通道中间与垂直于Z轴的平面的交线是一条径向线。与Sl流面相似，S2流面一般也是扭曲的。

两类流面理论相当经典，有助于我们设计通风机。

在设计理论上，轴流式通风机主要有孤立翼型法和叶栅法，孤立翼型法适用于叶栅稠度不大，可把叶片当作互不影响的孤立叶片。而叶栅法适用于叶栅稠度较大，实际的叶型在叶栅中的升力系数并不等于孤立叶型的值，特别是大冲角时两者差别更大的场合。实际设计过程中，通常会将两种方法结合起来。

在轴流风机中，存在一个理论,叫等环量/变环量理论，它是基于轴流风机径向平衡条件来确定的。

说了这么多，其实只是九牛一毛。读者如果觉得很多名词都很陌生，那么恭喜，你应该恶补一下设计理论知识了。

四、轴流式通风机设计仿真感想

作者主要从事轴流风机设计工作，拜读过很对通风机相关的设计理论的书，针对这些书，无一例外是倾注了作书者个人经验的。所有书中都几乎有提到设计判据、经验系数选取，如果，我们要通过基本书就能掌握设计一个性能满足要求的工业产品，简直不现实，简直是异想天开。

所幸的是，21世纪的今天，随着科学技术和计算机的进步，工业设计软件和仿真软件蓬勃发展，从最初的并不为业界广泛接受，发展到如今各行业无法脱离，工业设计软件和仿真软件已经成为工业研发中的核心环节。

首先说一说工业设计软件。

在轴流通风机设计过程中，可以应用的设计软件主要有 CFturbo、 AxSTREAM、NREC、 ANSYS Vista AFD，这些软件中或多或少都加入了理论经验公式，当输入或输出参数不满足基本设计理论时，软件会给出警告或者错误提示，给我们提供极大的便利。同时，在设计软件完成设计后，软件会对自动建模，并可输出CFD计算域，通过软件接口输出给CFD计算软件使用。

一个好的设计是基于设计者扎实的基础设计理论、大量的工程设计经验、大量的仿真计算优化和对空气动力性能试验的深刻理解上的，但又不局限和不拘泥于此。妄想通过设计软件将理解的参数输入而不理解的参数默认来设计一款产品，极有可能连合格都算不上。

再来说一说工业仿真软件。

在轴流通风机气动性能仿真过程中，可以应用的仿真软件主要有 ANSYS CFX、NUMECA、 ANSYS Fluent、 Pumplinks、 Star CCM+等等。各个软件各有千秋。使用者较多的专业性或专用性的软件是CFX和 NUMECA。

CFX和 NUMECA有着完整的前处理、求解、后处理模块和流程。CFX的网格划分使用 Turbogrid，计算求解用CFX，后处理用CFD-Post。 NUMECA的网格划分使用 Autogrid5，计算求解用 FINE/Turbo，后处理用 Cview。相比而言，两款软件都能很好的提供叶轮机械仿真解决方案。源于 NUMECA FINE/Turbo平台只关注于叶轮机械仿真，在叶轮机械仿真技术上实际领先于CFX，毕竟CFX是一款通用CFD求解平台，且从2003年收购后至今，在功能更新上略显匮乏。

CFX使用的是隐式耦合求解技术，并基于有限元的有限体积法，对六面体网格单元采用24点积分(单纯有限体积法采用6点积分)，对四面体网格单元采用60点积分(单纯有限体积法采用4点积分)，以保证计算求解的准确度。在上述技术加持下，CFX的计算消耗量相对较大。得益于 Workbench平台的便利，CFX可以很好的实现多场耦合计算。

NUMECA使用的多重网格加速收敛技术，使用全多重网格，在粗网格上计算得到结果，作为后续细网格计算的初值，并通过细网格层扫掠计算,最终得到计算结果，得益于软件底层设计及多重网格加速收敛技术的加持，NUMECA计算消耗量不大且计算速度较快。另外，在叶轮机械仿真时的专业的高级的转静子面、时间离散、非线性谐波等方面，NUMECA均创新性的提出并应用了相应的解决方案。

然而，在 NUMECA软件平台中,具有专业的多物理场耦合 Ipcc方法、气动噪声分析 FINE/VNoise、叶轮参数化拟合及造型 AotuBlade、优化平台 FINE/Design3D，使得NUMECA成为目前唯一的一体化的叶轮机械设计分析优化平台。

其他诸如 Fluent、 Star CCM+等通用CFD求解器，也能较好的提供叶轮机械气动仿真解决方案，相比具有具有专用模块的CFX和 NUMECA,通用CFD求解器在叶轮机械仿真前处理、求解和后处理过程中，效率较为低下，精度和准确度相对低一些，计算开销较大。这里需要大家脑补一下周期性计算、B2B拓扑调整、子午展开等概念。