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摘要：本文以离心风机为研究对象，首先借助理论方法对其开展参数化设计，后用Pro/E软件开展几何建模，且利用计算流体动力学软件PLUENT，模拟离心风机内部流场，从中获得对风机性能造成影响的主要因素；最后围绕风机效率，通过对其性能造成影响的几何参数的改变，达到优化设计风机的目的。
关键词：离心风机；几何建模；优化设计
在整个风机领域中，离心式风机应用最为普遍，现今以在经济建设的多行业中得到应用，是工业生产部门高效进行气体介质输送的主要设备。因此，对离心式风机进行优化与改进，对其工作效率的提升，以及能源节约与合理配置，均有着积极意义。需要指出的是，离心风机主要由三部分组成，分别为叶轮、蜗壳与集流器，其内部流体的流动状态及几何结构，直接影响着工作效率与能源利用率，所以，要想切实提升离心风机的工作效率与性能，需深入研究离心风机内流体的流动清醒，分析其流动特征，然后对那些对风机效率与性能造成影响的几何结构参数进行改善，进行测试与优化，从中获得最佳优化设计方案。本文现对此探讨如下。
1.参数化建模
首先，围绕离心风机，用计算机辅助设计方法，实施参数化建模；然后以离心风机内部流场为对象，用CFD软件FLUENT实施数值模拟，对风机内部的流动现象进行捕捉，把风机内部流动实况揭示出来；通过总结、剖析风机内部湍流流动所存在的特征规律，便能获得对风机性能造成影响的主要因素；最后用MATLAB内置的插值函数interp2（），开展二维二次插值优化，从中得到能够优化离心风机性能的最佳设计方案。
比如SJ19800型焦炉煤气离心鼓风机，根据离心风机的相关设计理论，对其开展参数化设计，从中把各过流部件所对应的几何尺寸给计算出来，如此一来，便可获得该焦炉煤气离心鼓风机的实际工作效率。需要指出的是，此风机主要工作参数为：进、出口压力分别为ps=0.074MPa、pd=0.089MPa，进口温度为Ts=130℃，流量为Q=19800m3/min，叶轮转速为n=1000r/min，轴功率为P=6400kW，烧结烟气为其介质。需强调的是，此鼓风机所采用的是双吸后向叶片型，依据相关理论设计方法，便能将风机的几何设计参数值给计算出来。
针对参数化设计而言，其基本特点为：以特征为基础、全数据相关、全尺寸约束与尺寸驱动设计修改。此方法的具体实现方式：首先，构建二维轮廓线（曲面），或者是三维实体；然后，设定几何约束参数（与全部尺寸均有关联）；最后，生成三维实体或曲面（由去哪不特征与相关参数所决定）。在整个产品设计中，其主要优点为：若想修改设计，仅需改变参数便可，因而能使设计效率得到大幅提升。
2.数值模拟
针对离心风机的内部来讲，其有着比较复杂的湍流流动，而且较难准确把握，因此，围绕其内部流场，采用FLUENT（CFD软件）实施数值模拟，将可能对风机性能造成影响的因素计算出来，并开展综合分析，是对风机设计方法加以改善的重要途径，而且还有利于风机性能的提升。需要指出的是，离心风机内部气体的流动，实际就是高雷诺数的湍流流动，在进行计算时，可采用Navier- Stokes方程（三维雷诺时均守恒）。另外，因流体始终处于一种紊流状态，因此，在选择湍流模型时，可根据现实需要，选k-ε标准两方程模型，而在具体的计算方法上，可选用SEGREGATED隐式方法；此外，用SIMPLE算法计算出压力-速度耦合，用二阶迎风格式离散分别将动量方程、湍流耗散项及湍流动能计算出来。
在离心鼓风机模型当中，因同时存在两个区，其一为蜗壳静网格区，其二是叶轮动网格区，因此，对于叶轮而言，可选择旋转坐标；而对于蜗壳，则选择静止坐标；另外，在静止蜗壳与旋转叶轮之间，用MRF（多重参考系模型）耦合，其基本原理为：简化风道内流场的计算，使之成为叶轮在某个位置处的瞬时流场，并用稳态方法对非稳态问题进行计算。因离心鼓风机有着比较复杂的几何模型，因此，为了确保网络质量，需分割计算区域，使之成为三部分，即集流器区域、叶轮区域与蜗壳区域。针对各个区域而言，均单独形成网格，而与之相邻的区域，使用同一个面；而在划分网格上，采用的是四面体网格（三维非结构化）。与结构化网格相比，非结构化网格有着更为复杂的计算过程，但易于局部加密，而且对于那些不规则空间，还有着比较强的适应能力，更容易将流场所对应的细微结构给显示出来。
假设在额定工况下，风机处于稳定运行状态，气流做稳定流动（不可压缩），在计算过程中，不将重力对流场所产生的影响考虑在内。在进口位置处，用质量流量进口边界条件，而在出口部位，为了能够消除回流现象对整个计算结果所产生的影响，可选用压力出口。而对于壁面来讲，可选择无滑移边界条件。
3.优化设计
针对SJ19800焦炉煤气离心鼓风机，分别用遗传算法与二次插值法实施优化。将离心风机效率当作进行优化的目标，转速x3、叶片进口角度x2、叶片数目x1均为设计变量，优化的数学模型为：
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用MATLAB的插值函数interp2（）来实施二维二次插值优化，原始数据略。MATLAB插值程序：
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经深入分析得知，在Z=12，β2A=58.2°时，ηmax为78.4%；如果转速是每分钟1000r，那么此时的初始参数化设计理论效率η为77.12%，其与整个优化方案相比，效率提升了1.15%。
4.结语
综上，通过优化设计离心鼓风机叶片的叶片数、出口角及转速，于设计工况下，整机在具体的流动情况上，得到大幅提升；另外，蜗舌与叶轮低速区的回流情况得到显著改善，减少了流动损失，整机效率得到明显提升；由此表明，优化风机性能的参数（如转速等）的方法是有效、可行的，可将其用于同类风机的优化设计与节能改善。
参考文献：
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作者简介：徐凤祥（1966-07-06），男，汉族，籍贯：浙江省绍兴市，学历：大专(流体机械及其系统)，研究方向：风机设计优化、节能及噪声治理