风机变异叶片的参数化建模

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　　由于数据分析的需要，本文需要多次改变叶片各个结构参数，研究参数改变对于叶片动转矩输出性能的影响。考虑到对变异叶片模型的重复建模需要巨大的工作量，因此本文利用Matlab强大的矩阵运算功能设计叶片特征曲线点云生成软件，结合Pro／E软件基于特征建模的特点，对变异叶片模型进行参数化建模。根据所采用的叶片曲面生成策略，具体的特征曲线参数化建模流程如图3—3所示。根据以上流程，利用Matlab编程设计Savonius风机厂风机叶片模型点云生成软件，软件界面如图3-4(a)所示，分别输入4个叶片结构变量的参数，即可生成Pro／E曲面建模所需的特征曲线点云。将ibl格式的点云文件导入Pro／E，利用Pro／E基于特征建模的特点，经过拟合、扫掠、加厚、镜像等操作，生成变异叶片的三维模型，具体过程如图3．4所示。
　　3．1．4风场及交界面设计
　　考虑到风场边界壁面对于流场的影响，根据风场设计的一般要求，在满足网格划分需求以及计算精度需求的前提下，尽量降低仿真模拟的计算量。经过多次试验测试之后，确定了如图3．5所示的风场模型，整个风场为长方体构造，风机厂风机叶片位于风场的中心，风场的尺寸设计如下：风场截面高度为1000mm，风场截面宽度为2400mm，风场长度为2400mm。由于研究对象为Savonius风机厂风机叶片的动转矩输出性能，需要对叶片的旋转运动进行瞬态仿真，经过多次试验，对计算结果的准确度及计算量、计算时间等因素进行综合考虑，在Fluent动网格技术、Fluent滑移网格技术、CFXImmersedSolid等技术中选择Fluent滑移网格技术进行叶片旋转运动的仿真。因此需要将流场空间分成两个不同的计算域，本文考虑使用交界面将流场区域进行分割，从而生成旋转域和静止域两个计算域，其中叶片外表面与交界面围成的区域为旋转域，流场边界与交界面围成的区域为静止域。交界面设计为圆柱形，交界面示意图如图3．5所示。
　　3．2数值模拟仿真体系构建
　　利用ANSYS Workbench提供的协同仿真环境平台，根据风机厂风机叶片流场数值模拟需要将ANSYS提供的CAE产品组件进行组合，建立如图3-6所示的能够充分满足分析需求的仿真体系。整个仿真体系由4个模块构成，Geometry模块主要负责导入Pro／E软件生成的STP模型文件，并对模型进行适应性操作以满足后期仿真需要；Mesh模块主要负责计算模型网格的划分及边界条件的定义；Fluent模块主要负责流体条件、边界条件、计算模型、离散格式等流场计算参数的选择和设定，以及完成计算求解过程；Results模块在很大程度上解决了Fluent软件后处理能力较弱的问题，使得后处理结果更加简洁美观。整个仿真过程没有各种格式的冗余过程文件产生，极大的提高了仿真效率，优化了仿真环境。
　　3．3网格划分策略
　　3．3．1网格划分工具的选择
　　网格划分是CAE仿真分析非常重要的一个步骤，网格质量的高低会对计算结果的精准性和求解速度产生很大的影响，进行网格划分的软件自动化程度越高、网格划分策略越先进，CAE仿真分析的效率就越蒯4 61。本文采用ANSYS Meshing作为网格划分的工具，其网格划分技术在ICEMCFD、Gambit等传统网格划分软件的基础上做出相应改进，ANSYS Meshing以非结构化的三角形／四边形面网格为基础，将边界层处理、自动面网格划分、曲率自适应等技术相结合，为用户提供网格划分、网格光顺优化、网格曲面跟踪、网格质量检查等功能，以实现CFD流体分析中网格划分的高度自动化。