串列葉片式前向離心風機氣動與噪聲特性的優(yōu)化研究（續(xù)）
關鍵詞：離心風機 發(fā)布時間：2013-08-07 點擊數(shù)：1312
數(shù)值計算結果及響應面優(yōu)化
響應面方法
響應面方法模型建立容易、使用方便, 而且能夠顯式地揭示設計變量和目標之間的響應關系, 因此在葉輪機械的優(yōu)化設計中得到了廣泛應用。響應面近似函數(shù)通常使用二階多項式( 但不限于多項式) , 可以寫成如下形式.jpg)
對于根據(jù)樣本點擬合出來的響應面多項式, 常使 用 統(tǒng) 計 學 中 的 決 定 系 數(shù) R ( coef ficient ofm ult iple det er minat ion)2a和修正決定系數(shù)R ( R square adjust ed) 來評價響應面的近似質量。-這兩個系數(shù)越接近于 1, 表示響應面的近似程度越高, 足夠的逼近通常要求 R 2 和 R 2 的值在 0 9 以上。a1421樣本點設計和數(shù)值結果分析選取風機的效率 G和 A 聲級 L a 為設計目標, 應用響應面分析方法優(yōu)選 € €l 和 H 的范圍, 首先將 € €l 和H編碼至(- 1, 1) 產(chǎn)生設計空間, 見表 1。.jpg)
在考慮兩個參數(shù)對風機效率 G 和 A 聲級 L a 的影響時, 采用完全析因設計法選取樣本點, 數(shù)值計算
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采用完全二階多項式擬合得到 G 和 L a 關于兩個編碼自變量的回歸方程, 分別表示為
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由于 R 和 R 都很接近于 1, 因此認為所得到的多項式擬合程度較好, 可以用來預測和進行優(yōu)化分析。根據(jù)上述回歸方程描繪出響應曲面及等高線圖以確認€x1) 、 x 2 ) 對 G和 La 的影響, 如圖 5、 6 所示。H(l(€圖
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從響應曲面和等高線圖可以看出: € H 對串列l 和€葉片式前向離心風機的效率和 A 聲級都有較大影響。隨著 € €l 和 H 的增大, 效率先增大, 后降低, 存在一個*大值; A 聲級則是隨著 € €的增大而逐漸降l 和H低, 其中€H的影響比€l 更顯著。因此, 可以通過響應面
尋找滿足設計目標的參數(shù)組合, 獲得理論上的理想設計點。
響應面優(yōu)化及其數(shù)值驗證
對于本文所研究的串列葉片式前向離心風機,其理想的*優(yōu)設計目標是使風機效率達到*高, 同時 A 聲級*低, 但回歸方程式( 7) 和式( 8) 并不存在這樣的*優(yōu)值。綜合起來考慮, 在暫時不能得到*理想結果的情況下, 本文選取改進后的風機在氣動性能不降低的情況下, 使其氣動噪聲*低的串列葉片設計為新的目標, 即在效率不低于原風機效率的情況下, 尋找 A 聲級*小時的兩個設計參數(shù)的值。該優(yōu)化問題可以用數(shù)學表達式描述為
化問題可以用數(shù)學表達式描述為式中 G 為原風機數(shù)值計算的效率。0在約束條件下,
( 8)求取目標函數(shù)的*小值, 可以得到效率不低于原風機的效率, 并使 A 聲級*小的串列葉片兩個參數(shù)的值。 過求 解式 ( 7) ~ 式( 9) 可 得, 該點 在 x 1 =通0 34, x 2 = 01 66 處。1此時, 效率 G= 0 734, 對應的 A1聲級為*小值 L a = 89 6dB, 相應結構參數(shù)為 €1l=0 226, € 0 233。1H= 1
由于加工制造費用較高且進行試驗周期較長,為了慎重選擇試驗方案, 在投入制造和試驗之前本圖5效率的響應曲面及其等高線圖
文首先對通過響應面方法得出的優(yōu)化方案進行了數(shù)值驗證。利用本文前面所述的經(jīng)過以往工作驗證的數(shù)值方法[ 5- 8] , 在與上文完全相同的條件下( 包括風機運行條件、流量和數(shù)值處理方法) , 對本文串列葉片式離心風機的響應面優(yōu)化結果進行了 CFD 數(shù)值計算。 給出了響應面和 CF D 數(shù)值計算的結果, 并表3與原風機的數(shù)值計算結果進行了比較。數(shù)值結果表明: 該響應面具有較高的預測精度,通過優(yōu)化設計, 能夠在基本不影響風機原有良好的氣動性能的情況下, 使風機的 A 聲級下降 4 1dB, 綜1合性能明顯改善。數(shù)值預測結果為下一步的試驗設計提供了可參考的依據(jù)。
結論
1)通過響應面分析方法建立串列葉片的 相對長度€l 和相對周向位置€H與前向離心風機的效率G和 A聲級 L a 之間的數(shù)學模型, 可以比較直觀地顯示兩個參數(shù)之間的交互作用。數(shù)值分析結果表明: 串列葉片的相對長度 €l 和相對周向位置 €H 對風機的氣動性和氣動噪聲均有較大的影響。通過合理的優(yōu)化設計, 采用串列葉片結構可以成為在兼顧風機氣動性能和氣動噪聲的條件下, 進一步改善風機綜合性能的途徑之一。
2) 優(yōu)化結果表明: 通過響應面優(yōu)化得到的串列葉片設計參數(shù), 能夠使改進后的串列葉片式離心風機的氣動性能與原單列葉片式離心風機基本一樣, 而氣動 噪 聲明 顯 降 低。其 響 應面 預 測 結果 與 相 應CF D 數(shù)值驗證的結果相比誤差很小, 但該結果仍有待試驗驗證, 為后續(xù)擴大樣本空間, 尋找使風機噪聲*低的參數(shù)設計提供有利依據(jù)。
3) 將 CFD 與 RSM 相結合的設計方法應 用于指導離心風機的氣動性能及氣動噪聲的優(yōu)化分析中,可以為試驗設計提供參考依據(jù), 有助于減少試驗次數(shù), 降低試驗成本, 縮短研發(fā)周期。
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