軸流風(fēng)機(jī)機(jī)翼型葉片參數(shù)化建模方法

1、LU也網(wǎng)僅I匕軸流風(fēng)機(jī)機(jī)翼型葉片參數(shù)化建模方法馬靜王振亞同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院上海（201804）Email:basei摘 要：本文通過創(chuàng)建翼型模板，結(jié)合Matlab與UG軟件,探討了風(fēng)機(jī)翼型葉片參數(shù)化建模的方法，給出了翼型中線為圓弧時(shí)的翼型坐標(biāo)算法、各截面安裝角和站位的處理方法以及 Matlab實(shí)現(xiàn)程序。并提出了葉片在UG建模時(shí)應(yīng)注意的問題。文中提出的方法，減少了風(fēng)機(jī)建模的工作量，縮短了風(fēng)機(jī)CFD前處理周期，提高了風(fēng)機(jī)流場(chǎng)CFD分析計(jì)算的效率和質(zhì)量。關(guān)鍵詞：葉片；參數(shù)化設(shè)計(jì)；UG Matlab1. 前言隨著CFD技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)計(jì)算分析的要求越來越多。風(fēng)機(jī)仿真計(jì)算的前期工作量相當(dāng)大，主要

2、表現(xiàn)在機(jī)翼型葉片的建模，其中包括風(fēng)機(jī)葉輪的機(jī)翼型葉片，機(jī)翼型前導(dǎo)流葉片和葉輪后的止旋片建模。通常在UG軟件中輸入大量的翼型坐標(biāo)點(diǎn)是相當(dāng)麻煩的，而使用*.dat文件導(dǎo)入這些數(shù)據(jù)的方法要方便的多，但是對(duì)不同的葉片計(jì)算截面采用*.dat文件手工導(dǎo)入翼型坐標(biāo)點(diǎn)的工作量仍然非常大，并且修改起來也不方便。通過分析可知，葉片不同計(jì)算截面的翼型曲線是相似的，同種翼型只因弧長(zhǎng)以及中線形狀不同而不同，因此完全可以考慮采用參數(shù)化建模的設(shè)計(jì)方法。采用這種方法可以縮短建模時(shí)間，節(jié)省大量的工作量， 且所建的模型也易于修改。因?yàn)樵趯?duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行CFD分析計(jì)算時(shí)改變風(fēng)機(jī)葉片翼型是對(duì)風(fēng) 機(jī)模型的重大修改需要花費(fèi)大量的時(shí)間，有了

3、這種方法可以較輕松的完成修改。本文就是基于這種思想，介紹了用 Matlab與UG兩個(gè)軟件結(jié)合進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片參數(shù)化建模的方法，本方法 利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力處理翼型離散點(diǎn)1，用UG強(qiáng)大的三維曲面建模能力構(gòu)建葉片復(fù)雜曲面。2. 翼型離散點(diǎn)的參數(shù)化處理2.1翼型模板的建立翼型模板的建立是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的第一步，建立翼型模板庫(kù)是一個(gè)積累的過程， 需要將每次用到的翼型和收集到的有價(jià)值的翼型參數(shù)通過手工輸入，建立起翼型模板庫(kù)，在進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片建模時(shí)就可以非常方便的從翼型模板庫(kù)里直接調(diào)出所需要的翼型。在Matlab中可以通過一個(gè)兩列矩陣建立起翼型模板，第一列輸入原始翼型的 x/l值，第 二列輸入原始

4、翼型的y/l值，再存成以翼型名稱命名的.mat文件即可。有了翼型模板，在進(jìn) 行葉片建模時(shí)就可以根據(jù)各計(jì)算截面的翼型弦長(zhǎng)，直接得到原始翼型各離散點(diǎn)的坐標(biāo)值。2.2實(shí)際翼型的處理實(shí)際翼型有很多種，大部分都是在原始翼型的基礎(chǔ)上通過改變翼型中線的形狀得到的，其中最常見的是中線為圓弧或多段圓弧組合的翼型，因此這里以圓弧翼型為例，給出翼型坐標(biāo)點(diǎn)的變換算法及 Matlab程序，多段圓弧可作相似處理。此算法有三個(gè)目的：1. 使原始翼型變?yōu)橹芯€為圓弧的翼型2. 使翼型的幾何中心與坐標(biāo)原點(diǎn)重合，以便于后期葉片拉伸建模方便。3. 使翼型的安裝角與設(shè)計(jì)相同，以便于后期葉片建模。算法思想：先在圓柱坐標(biāo)系下進(jìn)行變換，以中

5、線圓弧圓心為原點(diǎn)，用半徑r和角度e坐標(biāo)確定翼型各離散點(diǎn)位置，再轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系中，以便于UG導(dǎo)入。算法實(shí)現(xiàn)：1. 將原始翼型的x坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為圓柱坐標(biāo)系下的e坐標(biāo)：Xe= aXAl其中：a -翼型中線圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角l -翼型中線圓弧長(zhǎng)2. 將原始翼型的Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為圓柱坐標(biāo)系下的r坐標(biāo)：r = R+Y其中：R-翼型中線圓弧半徑3. 再將翼型安裝角轉(zhuǎn)為零:24. 將翼型轉(zhuǎn)至需要的安裝角B :e2 = e + B5. 將圓柱坐標(biāo)系下坐標(biāo) （r, e）轉(zhuǎn)化到相同原點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（x, y）:x = r Xcos（e）； y = r Xsin（e2）最后將翼型幾何中心移到坐標(biāo)原點(diǎn)：3宙禺龜技

6、逗兗在線xr = x- Xc yr = y - yc其中：xc, yc-翼型幾何中心坐標(biāo)xr, yr -轉(zhuǎn)換完的翼型離散點(diǎn)坐標(biāo)2.3葉片各截面翼型參數(shù)化設(shè)計(jì)的Matlab實(shí)現(xiàn)基于以上翼型模版和實(shí)際翼形處理算法的思想，在Matlab中編寫m文件，對(duì)葉片所需各截面翼形離散點(diǎn)進(jìn)行批處理。下面以NACA葉型為例給出 Matlab程序的框架。此段程序是可以同時(shí)處理葉片的所有各截面翼形的，各截面的處理后的最終坐標(biāo)存放在Results單元中。本程序中使用結(jié)果保存的Results采用cell格式，可以很好的管理、存放各不同截面翼形的數(shù)據(jù)，其中每一個(gè)小單元都是一個(gè)三列矩陣，存放一個(gè)截面翼型的（x, y, z）坐

7、標(biāo)，這對(duì)于之后的輸出*.dat文件是很有幫助的，得到的截面翼型的（x, y,z）坐標(biāo)直接復(fù)制到記事本中，以截面站位坐標(biāo)為文件名，保存為.dat文件以供UG導(dǎo)入。NACA= ; ;%翼型模板建立xTop=RTop.*si n( T/180*pi);%初始化參數(shù)yTop=RTop.*cos(T/180*pi);C=；%弧長(zhǎng)RBottom=RR(i)-N;c=0.4;%型心位置與弧長(zhǎng)比xBottom=RBottom.*si n(T./180*pi);theta=;%圓心角yBottom=RBottom.*cos(T./180*pi);r=；%截面站位one=on es(,1);beta=;%安裝角R

8、RX(i)=-sig n(alpha(i).*RR(i).*si n( alpha(i)/180deta=0.5.*theta;*pi);alpha=(c-0.5).*theta+beta;RRY(i)=RR(i).*cos(alpha(i)/180*pi);%開始處理Bottom(:,1,i)=xBottom-RRX(i);RR=R(C,theta);%RR中線圓弧半徑Bottom(:,2,i)=yBottom-RRY(i);CC=RR.*theta.*pi./180;Bottom(:,3,i)=r(i).*o ne;n=size(r,2);Top(:,1,i)=xTop-RRX(i);Re

9、sults=cell(,);%結(jié)果保存單元?jiǎng)?chuàng)建Top(:,2,i)=yTop-RRY(i);for i=1: nTop(:,3,i)=r(i).*o ne;N=CC(i).*NACA(:,2);Results(i,1)=Bottom(:,:,i);T=theta(i).*NACA(:,1)-deta(i)+beta(i);Results(i,2)=Top(:,:,i);RTop=RR(i)+N;end3. 風(fēng)機(jī)葉輪三維幾何造型3.1葉片曲面生成把包含各個(gè)截面站位的翼形離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的*.dat文件導(dǎo)入U(xiǎn)G,就可以用三次樣條曲線擬合這些離散點(diǎn)，生成各截面的翼形曲線，然后再通過UG中網(wǎng)格曲面生成的功能

10、，使曲面通過各截面的翼形曲線，這樣就可以得到三維的葉片曲面了。具體操作如下：首先，打開UG新建一個(gè)部件，然后進(jìn)入建模模式，選擇工具菜單中的插入，然后在下拉菜單下選擇曲線中的 樣條”在彈出的對(duì)話框中選擇樣條生成方式為通過點(diǎn)”在曲線類型中選擇多段”曲線次數(shù)為 “3次，之后選擇 文件中的點(diǎn)”選項(xiàng)，這時(shí)找到你已經(jīng)按上一 章方式創(chuàng)建好的.dat文件打開，然后在選擇約束方式的對(duì)話框中，你可以在對(duì)翼型斜率或曲 率有特殊的地方，加入斜率或曲率的限制條件，如果沒有則直接按確定”這時(shí)就生成了一條通過翼形離散點(diǎn)的三次樣條曲線。按照此方法，導(dǎo)入一個(gè)葉片的各個(gè)控制站位截面的翼形離散點(diǎn)的.dat文件，生成各個(gè)控制站位截面

11、的翼形曲線如圖1所示。然后在插入菜單中選擇網(wǎng)格曲面中的通過曲線”選項(xiàng)，然后依次選則各截面曲線，這里選擇曲線是有方向性的， 應(yīng)盡量選擇每個(gè)曲線的相同部分以保證各個(gè)曲線方向一致（如圖2），這點(diǎn)要特別注意，不然就生不成高質(zhì)量的曲面了。 然后在彈出的曲面參數(shù)中按照需要定義參數(shù)， 這里按默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行生成（如圖3）。3.2葉片曲面的檢查與修整通常情況下這樣構(gòu)造出來的曲 面由于在過渡部分曲率變化比較劇烈，會(huì)出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象， 曲面的質(zhì)量不是很好2?？梢允褂肬G的外觀造型模式中使用曲率梳”和 光影分析”工具進(jìn)行分析檢查，在不合要求的曲面區(qū)域可以用剪裁片體”的命令將其切除，然后再將這個(gè)面補(bǔ)齊并和周邊的面進(jìn)行匹配，以

12、達(dá)到要求。在這里如果葉片建模的目的僅僅是用于CFD分析，則不需要十分精確的建模，因?yàn)槿~片網(wǎng)格數(shù)量的限制，網(wǎng)格近似模型的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)要粗于我們現(xiàn) 在建模的精度，因此在這里除非曲面有很嚴(yán)重的缺陷，否則不須用過多精力在修改幾何模型上。6in 田跑vfr2±LUSElHX fri±.' " rv-v »»r i#in 田跑vfr2±#in 田跑vfr2±圖2圖3#in 田跑vfr2±3.3葉輪幾何模型的生成有了一個(gè)修整好的葉片模型 ，則可以通過UG中的特征引用”功能中的 環(huán)形矩陣”工具 或使用 編輯”菜單中的 變換”命

13、令手動(dòng)旋轉(zhuǎn)復(fù)制生成其它葉片，然后再對(duì)輪轂（Hub）進(jìn)行幾何建模。最后將葉片與輪轂的幾何實(shí)體進(jìn)行合”的布爾運(yùn)算，使其生成一個(gè)完整實(shí)體，這樣就處理好了葉片與輪轂之間的交接線問題，這點(diǎn)對(duì)后期的葉輪面網(wǎng)格生成是很重要的，否則葉片面網(wǎng)格與輪轂面網(wǎng)格的銜接會(huì)帶來很大的麻煩。最后使用 剪裁體”工具中的圓柱面剪裁，將葉頂多余部分剪除，留出葉頂間隙，最后生成風(fēng)機(jī)外罩（shroud），完成葉輪幾何建模（如圖4）。由于許多劃分網(wǎng)格的工具，幾何控制能力都不是很強(qiáng)，因此為了后期網(wǎng)格劃 分的方便，模型建立時(shí)的注意事項(xiàng)： 首先是葉片與輪轂之間的交線處理，劃分網(wǎng)格的葉片曲面區(qū)域要明確，這之前已經(jīng)提到；其次是，如果只算一個(gè)或幾

14、個(gè)葉柵的話，則最好留好分割 線；最后，注意葉片與輪轂之間的位置關(guān)系要精確，不要出現(xiàn)裂口或突出一塊的現(xiàn)象，這些 都將給后期網(wǎng)格劃分帶來很大麻煩。4 結(jié)束語(yǔ)本文介紹了一種使用 Matlab和UG結(jié)合起來進(jìn)行葉片參數(shù)化建模的方法，并提出了構(gòu) 建翼型坐標(biāo)函數(shù)庫(kù)思想，提出了當(dāng)翼型中線為圓弧時(shí)的翼型坐標(biāo)算法和各截面安裝角和站位 的處理方法，以及它們的 Matlab實(shí)現(xiàn)（當(dāng)然也可使用其它計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)，如Excel等）。通過一個(gè)實(shí)例，演示了一個(gè)葉輪三維幾何模型生成的全過程，并提出為了后期網(wǎng)格劃分的方便，建模時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。希望通過本文的介紹，可以縮短風(fēng)機(jī)葉片建模的時(shí)間，提高CFD前處理的質(zhì)量和效率。圖4參考文

15、獻(xiàn)1 薛定宇，陳陽(yáng)泉基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用M.清華大學(xué)出版社.2004.22 羅強(qiáng).三維CA系統(tǒng)葉片造型方法研究J.機(jī)械設(shè)計(jì).2004,21(12):57The parametric modeling method for wing shape vane ofaxial fanMa Jing Wang Zhe n YaCollege of automotive e ngineering, Tongji University, Shang hai, 201804, ChinaAbstract:In the preprocesshg of fan' s CF

16、D analysis, a parametric modeling method for fan' s wing shape vane isprese nted, through creati ng template for wing shape, using Matlab and UG. A process ing means aboutdiscrete coord in ate and sett ing an gel of wing shape is put forward whe n the wing shape' s cen terlian arc, and offers the program in Matlab to carry out the function. Some problems also should be paid attentio