轴流风扇设计仿真一体化软件Cradle CFD应用案例

作者 | 李晶 博士 仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

导读：随着计算机技术的快速发展，以流体力学为基础的CFD方法越来越多的应用到通用机械设计与研究。通用机械领域也是海克斯康CradleCFD重要领域之一。 

CradleCFD具有强大的前处理，重叠网格，具有Smartblade，即自动生成轴流风扇以及离心风扇三维模型功能，可用来风扇设计以及优化，强大的多相流模型，高效求解速度，强大的联合仿真功能。尤其是针对噪声，Cradle与Actran无缝耦合，精确评估气动噪声。

一、写在文前

风扇应用最广泛的家电产品，如空调设备等周边设备一直要求静音。而其中最关键在于风扇叶片设计，为了研究风扇不同设计参数对于噪音的影响，需要对于不同参数快速设计出叶片，并进行分析才行。但其针对设计参数，对风扇叶片进行修改是难点。

Cradle CFD的Smartblade提供轴流风扇全参数化模型，可以自动生成风扇外形，并自动计算风扇。

特征：

（1）自动生成风扇CAD模型，自动计算，后处理

（2）只需输入风扇几个数据和运行点参数

（3）也适合于CFD分析不熟悉工程师

（4）大大降低成本

图1：Smartblade界面

图2：Smartblade与常规模式工时比较

图3：Smartblade离心风机设计界面

二、案例应用

以下举了松下客户的使用案例。本次案例为通过多功能优化实现高效率和低噪声的通用换气扇。本次案例中的风扇模型就是采用smartblade来参数化建模，并修改模型。

设置在厨房和厕所的一般用换气扇作为强化其他公司产品竞争力的一环，以实现高效率和低噪音为目标。这是因为家电产品和空调设备等周边设备一直要求静音，为了实现安静的居住空间，即使是从以前开始就有的一般的换气扇，静音化也是不可避免的课题。

这次，为了实现换气扇的静音化，设定了高效率、轴动力低、风量大这两个目的。并且，为了达成这些目的的参数（设计变量），选择了被认为经验性影响度大的风扇叶片的三个变量：

（1）弦长（叶片长度）；

（2）前倾角（rake）；

（3）前进角（倾斜）          

但是，为什么要为了实现低噪音而采取的措施，却没有以噪音值为目的的理由询问了客户，客户的解释如下。与风扇性能相关的参数有很多，再加上噪音产生的机制很复杂，并不是单纯地只看特定的参数就可以了。因此，在高效率，也就是损失少的风扇，噪音也一定很小，这样的预想下，我们决定以降低轴动力为目的，研究低噪音化。

通过使用3个设计变量和2个目的函数以及可与Cradle CFD耦合使用的优化软件Optimus for Cradle，寻找最优值。其流程图如下图所示。      

图4 流程图

具体来说，利用各种参数计算了约900万网格的解析模型30个案例，从其结果制作的Parato前沿中提取了3个点，对它们制作了试制品并进行了实验。其结果是，无论哪个参数，性能都比现行产品高，以同风量，噪音值最大为降噪2.5dB，全压效率最大改善2.5pt（表1：与现行产品的比较）。客户反馈，从这个结果可以证明，如果提高效率即减少损失的话，就会降低噪音。

表1：不同方案噪声比较

审核编辑：汤梓红