唐俊 王軍 劉輝*/華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院

李斌/浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點實驗室

基于MATLAB的多翼離心風(fēng)機參數(shù)化快速成型方法*

唐俊 王軍 劉輝*/華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院

李斌/浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點實驗室

0 引言

多翼離心風(fēng)機設(shè)計遵循工程設(shè)計方法，設(shè)計過程中涉及變量眾多，且有部分變量僅有推薦取值范圍，沒有精確取值計算方法，給設(shè)計開發(fā)帶來不確定性，這就需要在設(shè)計過程中反復(fù)調(diào)整參數(shù)，才可以得到滿足性能要求的風(fēng)機?，F(xiàn)今，CFD技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機設(shè)計，文獻[1-3]也指出應(yīng)用CFD技術(shù)來設(shè)計多翼離心風(fēng)機是可行的。在對風(fēng)機設(shè)計方案進行CFD分析之前，快速得到風(fēng)機三維模型將有助于節(jié)省時間，縮短開發(fā)周期。

本文正是利用MATLAB編寫程序，實現(xiàn)了多翼離心風(fēng)機從設(shè)計參數(shù)到三維模型數(shù)據(jù)計算過程，并提供參數(shù)修改接口，方便參數(shù)調(diào)整，且應(yīng)用程序輸出三維造型軟件CREO識別的IBL文件來完成三維模型數(shù)據(jù)交換，綜合運用MATLAB和CREO軟件，實現(xiàn)多翼離心風(fēng)機主要部件的快速成型。

1 快速成型設(shè)計思路

本文快速成型設(shè)計方法主要參考文獻[1]中給出的設(shè)計方法，綜合運用MATLAB和CREO軟件，流程見圖1。

圖1 快速造型流程圖

2 程序功能介紹

程序按照功能劃分為三個功能模塊，分別是參數(shù)計算模塊、三維造型預(yù)覽模塊和幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊，參數(shù)計算模塊可以分為總體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算和主要部件幾何參數(shù)計算，三維造型預(yù)覽分為主要部件預(yù)覽和整機裝配預(yù)覽，幾何數(shù)據(jù)按葉輪、蝸殼、集流器分部件導(dǎo)出，具體程序功能模塊間關(guān)系見圖2。

圖2 程序功能模塊關(guān)系圖

2.1 參數(shù)計算模塊

多翼離心風(fēng)機的主要部件為葉輪、蝸殼、集流器，其中蝸殼、集流器的幾何參數(shù)計算依賴于部分葉輪幾何參數(shù)，包括葉輪進、出口角，葉輪內(nèi)、外徑，葉輪寬度，葉片數(shù)目，正是這部分葉輪參數(shù)將同時影響到葉輪、蝸殼、集流器的幾何形狀，則將這部分參數(shù)視為總體結(jié)構(gòu)參數(shù)，先于其他幾何參數(shù)計算。

如圖2所示，參數(shù)計算模塊分為總體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算和部件幾何參數(shù)計算?？傮w參數(shù)計算前要求輸入設(shè)計要求，計算結(jié)果輸出到部件幾何參數(shù)計算部分，分別進行葉輪、蝸殼、集流器具體幾何參數(shù)的計算。其中葉輪幾何參數(shù)計算時可以手動選取葉片型線和葉輪數(shù)目，蝸殼幾何參數(shù)計算時可以選取蝸殼內(nèi)壁型線和蝸舌類型，集流器采用圓弧形集流器。

2.2 三維造型預(yù)覽模塊

程序通過參數(shù)計算后得到建立三維模型所需幾何尺寸，單單是幾何數(shù)據(jù)并不直觀，無法觀察到三維模型的形狀。得益于MATLAB強大的圖形顯示功能，程序的三維造型預(yù)覽模塊實現(xiàn)了幾何數(shù)據(jù)實時圖形顯示的功能。當(dāng)獲取了主要部件的幾何尺寸參數(shù)，三維造型預(yù)覽模塊將實時三維圖形顯示，方便預(yù)覽，也便于觀察到某一具體參數(shù)修改對三維模型形狀的影響。正如圖2所示，此模塊分為部件造型預(yù)覽和整機裝配預(yù)覽，部件造型預(yù)覽可以分別觀察到葉輪、蝸殼和集流器的造型，整機裝配預(yù)覽可以看到主要部件簡單裝配后的效果。

2.3 幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊

MATLAB編程完成多翼離心風(fēng)機的參數(shù)計算和三維造型預(yù)覽，幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊將MATLAB計算數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維造型軟件CREO中，實現(xiàn)三維模型的快速建立。

兩個軟件間通過IBL文件進行數(shù)據(jù)交換，IBL文件（文件格式見圖3）是CREO支持的一種混合數(shù)據(jù)格式文件，可以記錄曲線和坐標(biāo)點的信息，本程序中將通過MATLAB編程自動生成記錄部件三維造型所需曲線的IBL文件，幾何模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出將按照部件導(dǎo)出，每個部件單獨建立自己的IBL文件。IBL文件可直接導(dǎo)入CREO中，無需做任何修改。

圖3 IBL文件示意圖

2.4 程序界面

MATLAB編程語言為解釋性語言，無需編譯即可運行，直接運行編寫完成的代碼，即可看到程序圖形界面，見圖4，程序功能模塊入口都集成到圖形界面，方便進行操作。

圖4 程序界面圖

圖形界面分為三個區(qū)，其功能從左到右依次為“三維造型預(yù)覽”、“選項版”、“參數(shù)版”、“操作記錄”。“選項版”主要進行部件設(shè)計、三維預(yù)覽和數(shù)據(jù)導(dǎo)出的選擇，“參數(shù)版”在“選項版”選擇操作后彈出相應(yīng)的部件幾何參數(shù)以供修改，“操作記錄”中顯示正在進行的操作狀態(tài)。

在“選項版”中點擊“葉輪設(shè)計”下拉框，可在“葉輪設(shè)計”、“葉片設(shè)計”、“蝸殼設(shè)計”、“集流器設(shè)計”中進行切換，“選項版”也會相應(yīng)切換顯示對應(yīng)的部件幾何參數(shù)。

在“參數(shù)版”中設(shè)置好部件幾何參數(shù)后，在“選項版”中點擊“葉輪顯示”下拉框，可在“葉輪顯示”“蝸殼顯示”“集流器顯示”“整機顯示”進行切換，“三維造型預(yù)覽”區(qū)中將顯示相應(yīng)的三維造型預(yù)覽圖。

當(dāng)對各個部件的三維造型預(yù)覽滿意時，可點擊“數(shù)據(jù)導(dǎo)出”下拉框，選擇導(dǎo)出葉輪、蝸殼、集流器的三維模型數(shù)據(jù)。

3 參數(shù)計算模型

3.1 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算模型

本程序中多翼離心風(fēng)機的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算遵循文獻[4]中給出的設(shè)計方法，該方法中假設(shè)進、出口角角度和為90°，此假設(shè)的引入簡化了葉片骨線半徑，進、出口，葉片數(shù)計算，但也一定程度上犧牲了進、出口角的部分取值范圍，為獲取進、出口角更寬廣的取值范圍，本程序的計算過程中不采用此假設(shè)；同時，文獻[4]設(shè)計方法中進口角、出口角、壓力系數(shù)、輪徑比都只給出了取值范圍，而沒有給出這些計算參量精確值的計算公式，則這些參數(shù)取值的任意性不僅將影響最終的計算結(jié)果，也可能不滿足文獻[4]中給出的壓力、流量校驗，在程序計算過程中，人為尋找上訴參數(shù)恰當(dāng)?shù)娜≈?，將大大降低程序的自動化程度，為提高程序的自動化程度，同時也為可以利用程序自動尋找出滿足壓力、流量校驗的參數(shù)值，提出下述的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算模型。

在總體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算模型中，設(shè)計要求即全壓、流量、轉(zhuǎn)速、流動效率為給定值；以進口角、輪徑比、出口角三者為參變量，參變量取值范圍見表1；總體結(jié)構(gòu)參數(shù)為輸出值；約束條件為計算全壓大于設(shè)計全壓，計算流量大于設(shè)計流量；約束條件如下所示：

其中，葉片有效寬度b'=D1/4；間隙δ=D2/100，取a= 0.7為壓力系數(shù)；D1為葉輪進口直徑；β1，β2分別為葉片進出口角。

表1 參變量取值范圍表

為適應(yīng)計算模型需求，在文獻[1]中方法的基礎(chǔ)上，變更部分計算流程，圖5將展示計算模型中參數(shù)計算流程，同時取消進、出口角角度和的限制后，出口計算公式如公式1。

圖5 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算流程圖

在計算開始時，將三個參變量在取值范圍內(nèi)均勻的離散為N個點，則三個參變量的離散點組合產(chǎn)生M=N3組計算方案，將這M組計算方案代入圖5的計算流程進行計算，并進行流量、壓力校驗，最后選出流量、壓力均滿足約束條件的M1組計算方案。

3.2 部件幾何參數(shù)計算模型

部件幾何參數(shù)指除去總體結(jié)構(gòu)參數(shù)在內(nèi)的參數(shù)，這些參數(shù)直接決定多翼風(fēng)機主要部件葉輪、蝸殼、集流器的幾何形狀，其計算一定程度上依賴于總體結(jié)構(gòu)參數(shù)，參照工程設(shè)計方法進行計算。葉輪、蝸殼的設(shè)計方法較為完備，葉輪參數(shù)化設(shè)計的詳細敘述可以參見文獻[5],其中當(dāng)葉片采用航空翼型加厚時，選用C4翼型；蝸殼設(shè)計參考文獻[4]。集流器還沒有比較詳細的設(shè)計方法，將詳述集流器的幾何參數(shù)計算。

本文采用圓弧形集流器，圓弧形集流器的設(shè)計包括四個幾何尺寸，即進口直徑、出口直徑、軸向高度和圓弧中心角，以及一個裝配尺寸即集流器出口和葉輪之間間隙。莊鎮(zhèn)榮[6]指出集流器與葉輪間隙取值存在一個最佳值，并給出間隙與葉輪外徑比值在0.02～0.025時比較合適，同時，給出了集流器出口直徑與葉輪前盤內(nèi)徑之間的經(jīng)驗公式：D2=D1+(12～16)。文獻[6]中也通過實驗和模擬的方法確認了集流器出口直徑稍大于葉輪內(nèi)徑時，風(fēng)機具有最優(yōu)性能。按上述文獻，取集流器同葉輪的間隙為(0.02～0.025)D2，進口直徑取葉輪外徑，出口直徑按公式（4）取值，軸向高度通過蝸殼寬度減去葉輪寬度和集流器葉輪間間隙給出，圓弧中心角為90°。

總體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算時，可以通過壓力、流量校驗來尋找較優(yōu)的總體參數(shù)取值，但部件幾何參數(shù)和流量、壓力等設(shè)計要求不能建立明確的關(guān)系，則無法在不進行CFD模擬或?qū)嶒灆z驗情況下評估部件幾何參數(shù)的計算質(zhì)量，為應(yīng)對這個問題，程序?qū)⑷~輪、蝸殼、集流器的幾何參數(shù)做成可調(diào)的，幾何參數(shù)可以直接在程序界面上做修改，通過參數(shù)修改的便捷性一定程度上彌補上述問題[7]。

4 導(dǎo)入CREO生成三維模型

4.1 導(dǎo)入主要部件IBL文件

由數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊分別得到葉輪、蝸殼、集流器的IBL文件，將三者的IBL文件分別導(dǎo)入CREO中，可以分別生成葉輪葉片型線、蝸殼內(nèi)壁型線和集流器表面曲線。

單擊CREO菜單“模型/獲取數(shù)據(jù)/導(dǎo)入”，在彈出的對話框中選取需要導(dǎo)入的IBL文件，點擊“打開”，可以看到在CREO空間中生成相應(yīng)的空間曲線；至此，空間曲線導(dǎo)入成功。

4.2 生成主要部件三維模型

幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊分別導(dǎo)出葉輪、蝸殼、集流器部件的IBL文件，下面對蝸殼部件三維成型過程做詳細介紹。

蝸殼對應(yīng)IBL文件導(dǎo)入CREO中將得到蝸殼壁面在兩側(cè)面的曲線和葉輪外圓曲線，見圖6。以其中一條曲線所在空間平面建立草繪平面，通過“投影”命令投影壁面曲線，完成草繪，“拉伸”草繪至另一壁面曲線平面，以蝸殼出口平面為基準(zhǔn)面進行“抽殼”操作，接下來“拉伸”操作以去除葉輪外圓圍成區(qū)域，至此完成蝸殼的三維造型，見圖7。

圖6 IBL空間曲線圖

圖7 CREO中蝸殼三維造型圖

5 實例顯示

基于MATLAB的多翼離心風(fēng)機參數(shù)化快速成型程序，給定某型風(fēng)機設(shè)計要求，參數(shù)見表2，葉輪葉片型式選擇為單圓弧葉片，蝸殼內(nèi)壁型線型式選擇為阿基米德螺旋線，蝸舌型式選擇為直蝸舌。設(shè)定好以上參數(shù)，則程序參數(shù)計算模塊將計算出總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和部件幾何參數(shù)，其中總體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果為：葉輪內(nèi)徑256mm、葉輪外徑308mm、葉片進口角50.1°、葉片出口角40.7°、葉片寬度123mm、葉片數(shù)目64片[8]。這里對程序參數(shù)計算模塊計算的參數(shù)不做修改，當(dāng)然，也可以按照需要進行修改也是允許的，在參數(shù)選項版中點擊“蝸殼預(yù)覽”、“葉輪預(yù)覽”“集流器預(yù)覽”、“整機預(yù)覽”中任意一項，將可以觀察到相應(yīng)的三維造型效果，也可以選取工具欄中視圖工具如“平移”“縮放”“旋轉(zhuǎn)”來調(diào)整圖形觀察角度，在圖8給出葉輪、整機裝配在程序中的預(yù)覽圖。

表2 設(shè)計要求參數(shù)表

圖8 程序葉輪、整機裝配預(yù)覽效果圖

當(dāng)對預(yù)覽結(jié)果不佳時，可以考慮調(diào)整相應(yīng)的部件幾何參數(shù)，直至得到滿意的預(yù)覽效果后，依次點擊“葉輪數(shù)據(jù)導(dǎo)出”、“蝸殼數(shù)據(jù)導(dǎo)出”“集流器數(shù)據(jù)導(dǎo)出”可以生成相應(yīng)的IBL數(shù)據(jù)文件，接下來得到主要部件三維模型的操作如4.2中所敘述，下面在圖9中給出CREO中葉輪、集流器三維造型圖。

圖9 CREO中葉輪、集流器三維造型圖

6 結(jié)論

1）本文通過MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)了多翼離心風(fēng)機從設(shè)計要求到三維幾何參數(shù)計算、數(shù)據(jù)導(dǎo)出的過程，以及幾何參數(shù)導(dǎo)出IBL文件同CREO進行數(shù)據(jù)交換，快速完成三維建模的過程，程序運行中間僅需少量人工干預(yù)即可完成整個過程。

2）考慮到實際設(shè)計取值并不總是按照文獻中方法計算值，程序按照文獻中方法計算出各個參數(shù)推薦值的同時為幾何模型的關(guān)鍵尺寸留了數(shù)據(jù)接口，以方便對修改參數(shù)值。

3）程序參數(shù)計算模塊中，為提高程序自動化程度也為擴大進、出口角取值范圍，對工程設(shè)計方法中參數(shù)計算流程做出少量更改。

4）文獻[5]中工作只是簡單的建立了風(fēng)機的幾何模型，形成了參數(shù)化方案，缺少從設(shè)計性能參數(shù)到幾何模型參數(shù)的計算過程，本文中提出了滿足全壓、流量校核的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算模型，將在文獻[5]的基礎(chǔ)進一步加速風(fēng)機三維造型過程，為后續(xù)CFD分析做準(zhǔn)備。

[1]游斌,謝軍龍,王軍,等.多翼離心風(fēng)機的三維數(shù)值分析[J].工程熱物理學(xué)報,2003,24(3):419-422.

[2]王瑞，王燦星.控制速度分布的多翼離心風(fēng)機優(yōu)化設(shè)計[J].風(fēng)機技術(shù)，2013（3）：47-52.

[3]韓非非,席德科.多翼離心風(fēng)機數(shù)值計算及改進設(shè)計研究[J].機械科學(xué)與技術(shù),2010,29(8):992-996.

[4]李慶宜.通風(fēng)機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981.

[5]張師帥,李偉華.空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機幾何建模的參數(shù)化[J].風(fēng)機技術(shù),2007(5):26-29.

[6]莊鎮(zhèn)榮.集流器對前向多翼離心通風(fēng)機氣動性能的影響分析[J].風(fēng)機技術(shù),2002(3):14-15.

[7]劉小民，湯虎，樊濤，等.多翼離心風(fēng)機葉片出口安裝角對吸油煙機性能影響的實驗研究[J].風(fēng)機技術(shù)，2014（6）：22-25，34.

[8]羅華飛.MATLAB GUI設(shè)計學(xué)習(xí)手記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

■

為實現(xiàn)多翼離心風(fēng)機主要部件的參數(shù)化快速成型，以工程設(shè)計理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用MATLAB編寫程序?qū)崿F(xiàn)其主要部件從設(shè)計要求到三維模型數(shù)據(jù)計算和三維模型數(shù)據(jù)從MATLAB到CREO的交換過程，同時應(yīng)用MATLAB生成的數(shù)據(jù)文件在CREO中完成多翼離心風(fēng)機主要部件的快速建模。為提高設(shè)計過程自動化程度，提出了一個簡單的尋優(yōu)模型來計算總體結(jié)構(gòu)參數(shù)。程序界面友好，參數(shù)修改便捷，操作簡單，可提高設(shè)計過程自動化程度，縮短多翼離心風(fēng)機原型開發(fā)周期。

多翼離心風(fēng)機；參數(shù)化；快速成型；MATLAB

ARapid Prototyping Parametric Method of Multi-blade Centrifugal Fan Based on MATLAB

Tang Jun,Wang Jun,Liu Hui,Jiang Boyan, Yang Xiaopei/School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology
Li Bin/Key Laboratory of Zhejiang Health Wisdom Kitchen System Integrated

multi-blade centrifugal fan; parametric;rapid prototyping;MATLAB

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）02-0042-06

10.16492/j.fjjs.2015.02.081

浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點實驗室新型油煙機開發(fā)基金項目（N02014E10014）

*本文其他作者：蔣博彥楊筱沛/華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院

2014-09-28湖北武漢430074

Abstract:To achieve parametric rapid prototyping of the main components of multi-blade centrifugal fan,based on engineering design theory,the application of MATLAB programming accomplishes the progress of it from design requirement to calculate 3D model data and the exchange for 3D model data from MATLAB to CREO. Also,the data files are generated by MATLAB to complete rapidly prototyping of the main components of multi-blade centrifugal fan in CREO.Inorder to increase the automation degree of the design process,a simple calculation model is put forward to calculate the general overall structural parameter.The program has the advantages of friendly interface, parameter modification convenient,simple operation,which can improve the automation degree of design process and greatly shorten the multi-blade centrifugal fan prototype development cycle.