一种基于流固耦合的轴流风机模态分析系统及方法

摘要

本发明提供了一种基于流固耦合的轴流风机模态分析系统，包括第一获取单元、第二获取单元、计算单元以及比较单元，第一获取单元用于获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机，第二获取单元用于获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场，计算单元用于分别计算多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值，比较单元用于比较多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值以获取最优尾缘凹陷结构。本发明可以获取最优尾缘凹陷结构，更好地优化轴流风机的静动力特性，从而设计出符合实际的节能型轴流风机。相应地，本发明还提供一种于流固耦合的轴流风机模态分析方法。

说明书

技术领域

本发明涉及轴流风机技术领域，具体而言，涉及一种基于流固耦合的轴流风机模态分析系统及方法。

背景技术

轴流风机通常用在流量要求较高而压力要求较低的场合，较高的流量要求就需要风轮有较高的转速。由于风机处于高速运动中，其自振频率和静止风机的自振频率有较大差别，因此考虑刚化效应对风机模态影响显得十分必要。随着计算机技术的不断发展以及有限元技术的日益成熟，对轴流风机静模态的分析也变得更加方便起来。其中模态分析是研究结构动力学的基本方法，通过模态分析可以得到结构的固有频率、模态振型、阻尼比等参数，广泛的应用于风机叶片的振动分析中。

由于轴流风机转动会产生气动力，考虑气动力会作用在风机叶片上使之产生形变，产生的形变也会反过来影响气动力，所以在对轴流风机进行模态分析时，考虑流固耦合效应对轴流风机的影响会更加的符合实际情况，以便设计出符合实际的风机模型，进而更好地优化轴流风机。对轴流风机的尾缘凹陷结构进行改进，能够更好地优化轴流风机的静动力特性。

然而现有的基于流固耦合的轴流风机模态分析系统，仅对少数的尾缘凹陷结构进行分析，其无法获取最优的尾缘凹陷结构，有待进一步改进。

发明内容

基于此，为了现有的基于流固耦合的轴流风机模态分析系统仅对少数的尾缘凹陷结构进行分析，无法获取最优的尾缘凹陷结构的问题，本发明提供了一种基于流固耦合的轴流风机模态分析系统及方法，其具体技术方案如下：

一种基于流固耦合的轴流风机模态分析系统，包括第一获取单元、第二获取单元、计算单元以及比较单元。

所述第一获取单元用于获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机；所述第二获取单元，用于获取在预设转速下的多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场。

所述计算单元用于根据多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场分别计算多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值；所述比较单元用于比较多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值，获取最优尾缘凹陷结构。

进一步地，所述基于流固耦合的轴流风机模态分析系统还包括控制点设定单元，所述控制点设定单元用于设定在多组具有不同数量的控制点，所述第一获取单元根据多组具有不同数量的控制点以及预设控制点连接方式获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机。

通过获取多组具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机，并比较多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值，可以获取最优尾缘凹陷结构，更好地优化轴流风机的静动力特性，从而设计出符合实际的节能型轴流风机。

进一步地，每组控制点的数量不少于四个。

进一步地，每组控制点中的第一个控制点以及最后一个控制点均位于轴流风机的尾缘上。

进一步地，所述预设控制点连接方式为直线连接。

进一步地，所述预设控制点连接方式为非均匀有理样条连接。

相应地，本发明还提供一种基于流固耦合的轴流风机模态分析方法，其包括如下步骤：

获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机；

获取在预设转速下的多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场；

根据多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场分别计算多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值；

比较多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值，获取最优尾缘凹陷结构。

进一步地，获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的具体方法为：

设定在多组具有不同数量的控制点；

根据多组具有不同数量的控制点以及预设控制点连接方式获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机。

进一步地，所述预设控制点连接方式为直线连接或非均匀有理样条连接。

相应地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的基于流固耦合的轴流风机模态分析方法。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明一实施例中一种基于流固耦合的轴流风机模态分析方法的整体流程示意图；

图2是本发明一实施例中具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片压力面等高线云图；

图3是本发明一实施例中具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片吸力面等高线云图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

本发明一实施例中的一种基于流固耦合的轴流风机模态分析系统，包括第一获取单元、第二获取单元、计算单元以及比较单元。

所述第一获取单元用于获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机；所述第二获取单元，用于获取在预设转速下的多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场。

所述计算单元用于根据多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场分别计算多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值；所述比较单元用于比较多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值，获取最优尾缘凹陷结构。

在其中一个实施例中，所述基于流固耦合的轴流风机模态分析系统还包括控制点设定单元，所述控制点设定单元用于设定在多组具有不同数量的控制点，所述第一获取单元根据多组具有不同数量的控制点以及预设控制点连接方式获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机。

通过获取多组具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机，并比较多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值，可以获取最优尾缘凹陷结构，更好地优化轴流风机的静动力特性，从而设计出符合实际的节能型轴流风机。

在其中一个实施例中，每组控制点的数量不少于三个，并且每组控制点中的第一个控制点以及最后一个控制点均位于轴流风机的尾缘上。

在其中一个实施例中，每组控制点的数量不少于四个，并且每组控制点中的第一个控制点以及最后一个控制点均位于轴流风机的尾缘上。

在其中一个实施例中，所述预设控制点连接方式为直线连接。

在其中一个实施例中，所述预设控制点连接方式为非均匀有理样条连接，例如B样条曲线。

所述预设控制点连接方式包括但不限于直线连接和非均匀有理样条连接。根据实际的情况，也可以通过其他连接方式将所述预设控制点连接起来，在此不再赘述。

相应地，如图1所示，本发明还提供一种基于流固耦合的轴流风机模态分析方法，其包括如下步骤：

获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机；

获取在预设转速下的多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场；

根据多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场分别计算多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值；

比较多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值，获取最优尾缘凹陷结构；

其中，最优尾缘凹陷结构为叶片表面总压力参数值最大的轴流风机所对应的尾缘凹陷结构。

如图2以及图3所示，根据多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场分别计算多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值的具体方法为：

设定压力等高线的高差，比如将高差设定为5；

根据等高线的高差以及多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场分布，绘制多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力等高线云图；

获取原始轴流风机的叶片表面压力场分布，绘制原始轴流风机的叶片表面压力等高线云图；其中，原始轴流风机即不具有尾缘凹陷结构时的轴流风机。

通过计算多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力等高线云图中各条压力等高线所表示压力值与对应的面积的第一压力总值，累加将所述第一压力总值与原始轴流风机的叶片表面压力等高线云图相对应压力等高线所对应的第二压力总值之差累加，获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值。

其中轴流风机的叶片表面总压力参数值

轴流风机的叶片载荷是其叶片表面压力场分布以及压力场分布对应面积相互作用的结果，也就是说轴流风机载荷与叶片表面压力场分布以及压力场分布对应面积成正比的。在相同做工下能够降低轴流风机叶片功率的一个原因是轴流风机尾缘凹陷结构改变了轴流风机叶片表面的压力分布，从而降低叶片的载荷。再参照图3，通过分析对比相同做工下不同尾缘凹陷结构下轴流风机叶片表面的压力等高线云图可知，不同尾缘凹陷结构下轴流风机叶片表面压力面的高压区面积、中压区面积以及低压区面积是不同的。而高压区面积越小，说明尾缘凹陷结构使得轴流风机载荷更低，其节能效果越明显。

通过计算多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面总压力参数值，可以分析比较出多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力场相对于原始轴流风机的叶片表面压力场的分布情况以及改善情况，进而获取最优尾缘凹陷结构，更好地优化轴流风机的静动力特性，从而设计出符合实际的节能型轴流风机。

在其中一个实施例中，如图2以及图3所示，所述多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力等高线云图包括多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片压力面等高线云图以及吸力面等高线云图。

如图2中的2e以及图3的3e所示，尾缘凹陷结构的深度过大有可能会恶化轴流风机叶片表面压力场分布，降低其流动效率和节能效率。

在其中一个实施例中，所述基于流固耦合的轴流风机模态分析方法还包括计算多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力等高线云图中最大压力值等高线与最大压力值等高线对应面积之间的第三压力总值，并计算原始轴流风机的叶片表面压力等高线云图中最大压力值等高线与最大压力值等高线对应面积之间的第四压力总值，若所述第三压力总值与所述第四压力总值之差大于预设阈值，则将所述第三压力总值所对应的轴流风机剔除，不列入分析比较范围内。如此，可以避免尾缘凹陷结构的深度而恶化轴流风机叶片表面压力场对所述轴流风机模态分析方法的影响，提高所述轴流风机模态分析方法的准确度。

在其中一个实施例中，获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的具体方法为：

设定在多组具有不同数量的控制点；

根据多组具有不同数量的控制点以及预设控制点连接方式获取多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机。

如图2以及图3所示，轴流风机的尾缘凹陷结构的改变，对位于轴流风机叶片顶部的高压区域影响较大，对轴流风机的中压区域影响不大，并且轴流风机低压区域与原始轴流风机的低压区域基本相同。为了节省所述基于流固耦合的轴流风机模态分析方法的运算时间，提高数据处理效率，在其中一个实施例中，轴流风机的叶片表面总压力参数值

在其中一个实施例中，所述多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力等高线云图可以通过3D建模软件Solidworks获取。多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机也可通过Solidworks进行三维建模获取。当然，所述多个具有不同尾缘凹陷结构的轴流风机的叶片表面压力等高线云图也可以通过其他方式获取，其属于本领域技术人员常规技术手段，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的基于流固耦合的轴流风机模态分析方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。