董貴楊，譚業(yè)發(fā)，譚 華，周春華，楊自雙

(解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007)

軍用機械裝備在沙漠中行駛和工作時，空氣中高濃度的沙塵大量進入空氣濾清器，使其濾清效能迅速下降。輕則降低發(fā)動機輸出功率，重則加劇氣缸磨損，從而縮短發(fā)動機使用壽命并降低安全可靠性?？諝忸A濾器能夠將氣流中大部分沙塵在進入空氣濾清器之前過濾掉，從而延長濾芯維護保養(yǎng)周期，提高軍用工程裝備使用效率和經(jīng)濟效益[1]。

空氣預濾器的過濾效率和進氣阻力與其內(nèi)部流場的流動狀況直接相關。因此，研究其內(nèi)部流場對開發(fā)高效能空氣預濾器產(chǎn)品至關重要。傳統(tǒng)木模設計方法和吹風試驗方法，效率低、成本高。計算流體力學(CFD)應用于流體機械的研發(fā)，能夠描述復雜幾何內(nèi)部的三維流動現(xiàn)象，在設計的初期快速地評價設計并做出修改，不需要原型生產(chǎn)與反復測試，大大降低了研發(fā)費用、時間及新設計帶來的風險，有效地提高了產(chǎn)品設計效率[2－4]。

1 導向葉片數(shù)學模型

本文借鑒國內(nèi)外空氣預濾器的成熟經(jīng)驗，并吸取其優(yōu)點，設計了一種高效沙漠空氣預濾器，其主要由進氣口、導向葉片、旋轉器、排塵口及出氣口等5部分構成，如圖1所示。導向葉片轉向和加速氣流的性能直接影響空氣預濾器的過濾效率。本文建立了導向葉片平面型樣板和圓柱型樣板的數(shù)學模型，進行了導向葉片的三維造型及結構化網(wǎng)格劃分，以期為葉片結構參數(shù)的優(yōu)化及空氣預濾器整機的CFD模擬研究提供更加高效的前處理方法。

圖1 空氣預濾器結構

導向葉片的成型原理是1根母線與1個圓柱面相交成一定角度，并沿圓柱面上某種曲線(常用圓弧或冪函數(shù)曲線)移動，形成的曲面即為葉片型面。

葉片設計可以采用平面型樣板和圓柱型樣板2種方法。采用平面型樣板時，畫在與圓柱面相切平面上的葉型可以直接用于制作樣板和鑄模，能夠簡化葉片的制造工藝。采用圓柱型樣板方法時，預先繪制的平面型樣板應該按照相應半徑的圓柱彎成曲面，雖然制造過程較復雜，但卻使計算流線與實際更加吻合。按照平面型樣板繪制的葉片，弦長越大或截面半徑越小，吻合程度越差。當葉片弦長與截面半徑的比值小于0.3時，上述2種方法是等效的[5]。

首先在平面型樣板坐標系下建立導向葉片內(nèi)外準線方程，然后根據(jù)平面型樣板坐標系與圓柱型樣板坐標系的幾何關系，建立圓柱型樣板坐標系下的內(nèi)外準線方程。

1.1 參數(shù)化設計計算

導向葉片可采用翼型葉片或板型葉片，翼型葉片是指橫截面厚度沿弦長變化的翼型，而板型葉片是指厚度沿弦長不變的彎曲橫截面。翼型葉片骨線主要有單圓弧、雙圓弧、拋物線和冪函數(shù)型式。為了構建翼型葉片實體模型，需要確定空間不同半徑回轉面上葉片的翼型數(shù)據(jù)。在氣動設計中初步確定葉型的主要結構參數(shù)，即確定翼型截面骨線類型以及翼型幾何角，并選定原始翼型(翼型坐標數(shù)據(jù)可由Profili軟件導出)。沿彎曲的翼型中線的法線方向疊加原始翼型數(shù)據(jù)，便可以獲得所需的葉片三維坐標數(shù)據(jù)及截面形狀。

本文所設計的沙漠空氣預濾器依靠發(fā)動機進氣負壓驅動旋轉器，風速為中、低速，其導向葉片主要起轉向和加速的作用，氣動性能不高。因此，導向葉片采用板型葉片即可滿足空氣預濾器性能要求，其準線采用圓弧加直線段型式，且根據(jù)分離性能要求，使葉片外緣出口角β2大于內(nèi)緣出口角β1[6]。

導向葉片準線的主要參數(shù)如圖2所示。其中:r1為內(nèi)緣半徑;r2為外緣半徑;α為進口角;β為出口角;b為圓弧段包弧長;l為導向葉片包弧長;h為導向葉片高度。

圖2 導向葉片準線坐標關系

1.2 平面型樣板數(shù)學模型

為了便于設計計算和簡化制造過程，首先建立導向葉片平面型樣板準線參數(shù)方程。

半徑為r的圓弧在x1oy1坐標系中的方程為

由x1oy1坐標與xoy坐標的對應關系可知

將式(2)代入式(1)得到圓弧段基本函數(shù)為

由圖2所示α，β，b的幾何關系可確定a值:

將式(4)代入式(3)即可得到基本段圓弧的函數(shù)方程:

進而可確定圓弧與直線相切點A的坐標(b，yb)。

由點斜式方法可得到直線段準線方程:

式(7)表示由導向葉片包弧長l控制直線段長度，式(8)表示由導向葉片軸向高度h來控制直線段長度，因此可根據(jù)設計時的具體要求選擇不同的控制參數(shù)來控制準線。內(nèi)外準線函數(shù)方程見表1。

由表1可以看出，葉片準線參數(shù)方程有α，β，b，l和h共5個控制變量，其中l(wèi)和h是相關的。用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)導向葉片內(nèi)外準線三維坐標值的求解。

表1 平面型樣板的準線方程

1.3 圓柱型樣板數(shù)學模型

為了使計算流線更加符合實際，需將準線的平面曲線方程轉化為空間曲線方程。由圖3所示的幾何關系，采用點擬合曲線方法將導向葉片內(nèi)外準線的坐標值由平面型樣板轉換為圓柱型樣板，其轉換公式如下:

其中φ=x/r為葉片包角，單位為弧度。

(x2，y2，z2)即為導向葉片準線在圓柱型樣板坐標系下的三維坐標值。

2 導向葉片內(nèi)流道實體模型

導向葉片內(nèi)流道模型成型原理:向UG中導入三維坐標點數(shù)據(jù)得到導向葉片內(nèi)外準線，利用直紋面命令生成曲面，經(jīng)過對稱加厚、修剪、圓角和旋轉處理，得到三維實體模型，最后通過布爾運算，完成導向葉片內(nèi)流道模型創(chuàng)建。

圖3 平面型樣板與圓柱型樣板的坐標關系

2.1 內(nèi)外準線坐標數(shù)據(jù)的計算

根據(jù)表1中的內(nèi)外準線函數(shù)方程和表2中的結構參數(shù)，利用Excel軟件進行數(shù)據(jù)計算，部分數(shù)據(jù)結果如圖4所示，并將圓柱型樣板三維坐標值存儲為DAT格式，留待導入UG中進行三維建模。

表2 導向葉片結構參數(shù)

2.2 三維實體模型的構建

基于參數(shù)方程得到的內(nèi)外準線三維坐標數(shù)據(jù)，利用UG三維建模軟件，按如下步驟構建三維實體模型，如圖5所示。

圖5 幾何模型

第一步，通過樣條曲線命令讀取DAT格式的三維坐標點，通過直紋面、加厚、修剪、旋轉等一系列命令處理生成導向葉片三維幾何模型，如圖5(a)所示。

第二步，通過布爾運算生成整體內(nèi)流道模型，如圖5(b)所示。

第三步，通過旋轉曲面將導向葉片整體內(nèi)流道模型修剪為具有旋轉周期性的單個內(nèi)流道模型，如圖5(c)所示，將此作為劃分周期性結構網(wǎng)格的幾何模型，并導出為STEP或IGES通用格式文件。

3 導向葉片六面體結構化網(wǎng)格

相比非結構化網(wǎng)格，結構化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部點具有相同的毗鄰單元，對曲面或空間的擬合大多數(shù)采用參數(shù)化或樣條插值的方法得到，區(qū)域光滑，與實際的模型更接近。結構化網(wǎng)格具有網(wǎng)格生成速度快、質量好、數(shù)據(jù)結構簡單的優(yōu)點，且計算結果比非結構網(wǎng)格更容易收斂，也更準確[7－8]。ANSYS ICEM CFD是目前市場上最強大的六面體結構化網(wǎng)格生成工具，具備完善的幾何修補功能和先進的O網(wǎng)格技術。利用ICEM軟件劃分導向葉片六面體結構化網(wǎng)格應特別注意以下4個方面。

a.確定結構化網(wǎng)格劃分策略。采用旋轉周期性網(wǎng)格劃分方法，能保證網(wǎng)格質量且可明顯減少網(wǎng)格劃分時間(如圖6所示)。

b.為了更好地捕捉湍流邊界層內(nèi)的變化，導向葉片近壁面處采用外O型網(wǎng)格剖分，與導向葉片壁面相鄰的第一個節(jié)點應該位于湍流邊界層內(nèi)，且湍流邊界層內(nèi)應包含若干節(jié)點。第一層網(wǎng)格的高度用NASA Viscous Grid Space Calculator計算，根據(jù)經(jīng)驗選擇Y+值并通過模擬計算結果校正。

圖6 塊劃分策略

c.定義旋轉周期和坐標軸，選擇適當?shù)墓?jié)點分布規(guī)律定義節(jié)點分布，生成單個葉片網(wǎng)格后旋轉生成整體網(wǎng)格(如圖7所示)。

圖7 六面體結構化網(wǎng)格

d.良好的網(wǎng)格質量是計算精度和收斂速度的保證，網(wǎng)格質量與具體問題的幾何特性、流動特性、流場求解算法有關，因此網(wǎng)格質量最終要由計算結果來評判。

ICEM提供了一系列評判標準，一般采用Determinant(2×2×2)－Minimum Jacobian Matrix與Maximum Jacobian Matrix比值，此標準反映了網(wǎng)格的綜合質量(0最差，1最好)。導向葉片的網(wǎng)格質量分布如圖8所示，沒有負體積網(wǎng)格，大部分網(wǎng)格質量均在0.75以上，質量較好。在Fluent求解器中進一步檢查網(wǎng)格質量，最重要的質量度量Maximum cell squish和Maximum aspect ratio均在許可范圍內(nèi)，說明此方法劃分的網(wǎng)格可以用于數(shù)值計算。

空氣預濾器整體結構比較復雜，在對整個模型進行CFD網(wǎng)格劃分時，采用分區(qū)劃分六面體結構化網(wǎng)格方法，網(wǎng)格裝配后不同區(qū)域之間采用Inter-face端面進行耦合，計算機強大的插值能力能保證計算精度和計算效率。各個分區(qū)均采用結構化網(wǎng)格，且網(wǎng)格生成質量較好，因此生成的整體網(wǎng)格質量較高，從而提高了CFD計算效率、精度及收斂速度[9]。

圖8 結構網(wǎng)格質量分布

4 結論

a.將圓弧加直線段型式應用于導向葉片準線造型，建立了準線的參數(shù)化方程，簡化了制造工藝。

b.葉片周圍采用外O型網(wǎng)格，得到了質量很高的近壁面網(wǎng)格，能更有效地捕捉湍流邊界層內(nèi)的變化。

c.周期性結構網(wǎng)格劃分方法大大簡化了網(wǎng)格生成工作，明顯縮短了CFD計算網(wǎng)格的生成時間，為進一步模擬整個空氣預濾器內(nèi)流場提供了高質量計算網(wǎng)格。

[1] 孫大亮.國內(nèi)工程機械發(fā)動機預濾器的對比與分析[J].建筑機械，2008(1):78－79.

[2] Anderson J D JR.Computational Fluid Dynamics:The Basics with Application[M].New York:Mcgraw－Hill，1995.

[3] 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社，2004:160－164.

[4] Yang Hong，Nuernberger Dirk，Kersken Hans－Peter.Towards excellence in turbo machinery CFD:a hybrid structured－unstructured RANS solver[J].Proceedings of the ASME Turbo Expo，2005，6(B):1169－1183.

[5] 索洛瑪霍娃.通風機氣動略圖和特性曲線[M].陳富禮，于紹和，譯.北京:煤炭工業(yè)出版社，1986:240－249.

[6] 張建.催化裂化三旋內(nèi)部氣固兩相流動分析[D].東營:中國石油大學，2009.

[7] 劉厚林，董亮，王勇，等.流體機械CFD中的網(wǎng)格生成方法進展[J].流體機械，2010，38(4):32－37.

[8] 張振江，陳作鋼.船舶CFD結構化網(wǎng)格自動生成技術[J].上海交通大學學報，2012，46(2):317－322.

[9] 鄭秋亞，劉三陽，左大海，等.多塊結構化網(wǎng)格CFD并行計算和負載平衡研究[J].工程數(shù)學學報，2010，27(2):219－224.