Simcenter STAR-CCM + 3D-CAD中的离心风机参数化示例

      离心式风机是工业上使用最广泛的设备之一，典型的应用场景包括HVAC系统等。常规结构包括旋转的叶轮和固定的蜗壳，如下图所示。叶轮将动能传递给气体，蜗壳起整流的作用，将动能转化为压头。

动画1 离心风机旋转动画

叶片和蜗壳的设计直接影离响离心式风机的功率和压头。而在实际设计中，往往需要根据工程师的经验，逐步调整几何模型，通过实验和仿真的方法来获得模型的性能，虽然通常可以获得更好的设计，但是因为时间和成本因素，无法保证对关键参数变化的所有方案的性能进行实验和仿真分析，难以获得最优的离心风机设计方案。通过对模型中的关键几何变量进行参数化建模，配合优化分析或者方案扫掠，全面评估方案，获得鲁棒性好和性能高的模型方案。

本文提供了在Simcenter STAR-CCM+ 3D-CAD中对离心风扇进行参数化建模的示例。从下面的动画可以看到参数化模型生成的各种设计。本文最后附带有3D-CAD模型的仿真文件。下面列出了如何在Simcenter STAR-CCM+ 3D-CAD中构建参化数模型的详细说明。

注：需要参考User Guide，先熟悉并掌握3D-CAD的基本操作。

动画2 离心风机参数化模型变化动画

第1步，叶片

         首先通过绘制叶片外倾角线来构造叶片。叶片外倾线是使用4个参数构造的，即曲率（curvature），弦(Chord)，叶片偏离中心的距离（offsetFromCenter）和叶片角度（BladeAngle）。

1. 1. 从原点开始创建两条构造线，定义为“blade offset from center”，“bladeangle”和“blade chord length”，如下图所示。

图1 叶片构造线1

1. 2.     创建3条附加的构造线，这些构造线与上图所示的蓝线垂直。每条线的间距为“ 0.25 *blade chord length”。每条线的长度将指定为curvature的函数，如下图所示。

**注意：可以使用不同的间距和曲率定义来获得所需的平滑的外倾线。

图2 叶片构造线2

1. 3.     使用4个点创建样条曲线，按住Ctrl键选择样条曲线的每个点并使其与定义叶片曲面线的4个点重合。最终草图如下图所示，注意下图中约束的定义。

图3 叶片样条曲线定义

1. 4.     以上草图通过拉伸创建一个片体，拉伸距离等于参数“blade height”。

    1. 5.  右键单击“Bodies”节点下创建的片体，然后选择“thicken”。thickness direction选择“symmetric”选项，并使厚度值等于参数“blade thickness”。生成下图所示的体。

图4 生成叶片体

1. 6.     选择叶片正面和背面对应的两条边以创建圆角。选择圆角半径为“0.5 * blade thickness”以获取圆弧形前缘和后缘，最终叶片形状如下图所示。

图5生成圆弧形叶片前缘和后缘

1. 7.     为叶片创建圆形阵列。重复次数等于叶片数。

第2步，叶片轮毂和外壳

2.1.     要创建轮毂，请使用与叶片草图相同的草图平面创建一个圆盘。轮毂半径等于“blade chord + blade offsetfrom center + offset from blade trailing edge (TE)”。

2.2.     对于外壳，从原始草图平面通过变换（Plane by Transformation）创建平面，将变换Z方向长度设置为“blade height”。创建同心圆草图，外圆半径等于轮毂半径（hubRadius），内圈半径等于“blade offset from center – offsetfrom blade leading edge (LE)”。

图6 叶片轮毂

第3步，蜗壳

3.1.     蜗壳草图是在从原始草图平面沿负Z方向转换的平面上创建的，其值等于“bladevolute offset”。

3.2.     蜗壳的圆形截面是使用7条构造线创建的，以45°的间隔覆盖270°的截面。第一条构造线的长度设置为“hub radius+ volute offset”。第一构造线的长度作为所有其他构造的参考（reference）。构造线的长度以“volute offset”的倍数增加，以获得平滑的蜗壳曲率，如下图所示。**注意：可以更改构造线的数量和偏移量以获得所需的蜗壳形状。

图7 蜗壳构造线定义

3.3.     创建样条线，并使每个点与上述构造线的外部端点重合。通过创建2条附加的构造线来固定末端的角度，这两条附加的构造线与样条曲线末端重合并垂直于这些样条线端点处的构造线。这些新创建的构造线与样条曲线相切，可以直接点击样条线直接设定端头段的切线角度，最终如下图中所示的蓝色构造线和样条曲线。

图8 蜗壳样条曲线

3.4.     蜗壳的直线段以“hub radius”为基准创建，在一端使用圆弧，另一端使用相切约束与轮毂平滑连接。图10显示了最终的蜗壳草图。

图9 蜗壳直线段样条曲线

图10 蜗壳草图

3.5.     对蜗壳草图创建一个拉伸操作，拉伸距离设置为“blade height + blade volute offset*2”。

第4步，MRF和入口区域

4.1.     在叶片周围创建一个圆柱形圆盘。确保MRF圆盘是“hub radius”和“blade height”的函数。从蜗壳中减去MRF区域，从MRF区域中减去风机叶片和轮毂部分，得到旋转和静止部件。

4.2.     在蜗壳平面上创建一个圆柱形圆盘，参考第2步，将入口半径设置为“offsetfrom blade leading edge (LE)”的函数，Z方向的拉伸长度设定为“hubRadius”的函数。

4.3.     离心风机的最终几何形状如下图所示。

图11 离心风机几何

第5步，反向扫掠/向前扫掠和径向叶片

5.1.     只需为特征树中的蜗壳体创建镜像变换，就可以使离心式风扇反向扫掠/向前扫掠。该变形是在蜗壳的拉伸操作之后产生的，可以被抑制以得到向前扫掠叶片，而未被抑制得到反向扫掠叶片。需要改变旋转方向以改变反向扫掠叶片的物理设置。

5.2.     可以通过将参数叶片曲率（curvature）设置一个非常小的值（即0.001mm）来获得径向叶片。下图显示了向前扫掠，径向和反向扫掠叶片的示例。

图12 向前扫掠叶片

图13 径向叶片

图14 反向扫掠叶片

        完成的参数化离心风机模型，可以直接转入STAR-CCM+的Design Manager中，进行进一步的优化分析或者方案扫掠分析。另外该建模过程也可以在建模工具如SimcenterNX、CATIA、Inventor、ProE中实现，通过建模工具中的STAR-CCM+直接接口，将参数化模型一键式导入STAR-CCM+中。

图15 Design Manager中的参数化模型可变参数

本文参考文献：

《Exampleof Parametrizing a centrifugal fan in Simcenter STAR-CCM+ 3D-CAD》

模型文件文件请点击以下链接下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/14N5rOR4riK4MlxEd0K6yKQ

提取码：7z03

 文章来源NX牛叉数字孪生源头