離心式風機是工業上使用最廣泛的設備之一，典型的應用場景包括HVAC系統等。常規結構包括旋轉的葉輪和固定的蝸殼，如下圖所示。葉輪將動能傳遞給氣體，蝸殼起整流的作用，將動能轉化為壓頭。

動畫1 離心風機旋轉動畫

葉片和蝸殼的設計直接影離響離心式風機的功率和壓頭。而在實際設計中，往往需要根據工程師的經驗，逐步調整幾何模型，通過實驗和仿真的方法來獲得模型的性能，雖然通常可以獲得更好的設計，但是因為時間和成本因素，無法保證對關鍵參數變化的所有方案的性能進行實驗和仿真分析，難以獲得最優的離心風機設計方案。通過對模型中的關鍵幾何變量進行參數化建模，配合優化分析或者方案掃掠，全面評估方案，獲得魯棒性好和性能高的模型方案。

本文提供了在Simcenter STAR-CCM+ 3D-CAD中對離心風扇進行參數化建模的示例。從下面的動畫可以看到參數化模型生成的各種設計。本文最后附帶有3D-CAD模型的仿真文件。下面列出了如何在Simcenter STAR-CCM+ 3D-CAD中構建參化數模型的詳細說明。

注：需要參考User Guide，先熟悉并掌握3D-CAD的基本操作。

動畫2 離心風機參數化模型變化動畫

第1步，葉片

         首先通過繪制葉片外傾角線來構造葉片。葉片外傾線是使用4個參數構造的，即曲率（curvature），弦(Chord)，葉片偏離中心的距離（offsetFromCenter）和葉片角度（BladeAngle）。

1. 1. 從原點開始創建兩條構造線，定義為“blade offset from center”，“bladeangle”和“blade chord length”，如下圖所示。

圖1 葉片構造線1

1. 2.     創建3條附加的構造線，這些構造線與上圖所示的藍線垂直。每條線的間距為“ 0.25 *blade chord length”。每條線的長度將指定為curvature的函數，如下圖所示。

**注意：可以使用不同的間距和曲率定義來獲得所需的平滑的外傾線。

圖2 葉片構造線2

1. 3.     使用4個點創建樣條曲線，按住Ctrl鍵選擇樣條曲線的每個點并使其與定義葉片曲面線的4個點重合。最終草圖如下圖所示，注意下圖中約束的定義。

圖3 葉片樣條曲線定義

1. 4.     以上草圖通過拉伸創建一個片體，拉伸距離等于參數“blade height”。

    1. 5.  右鍵單擊“Bodies”節點下創建的片體，然后選擇“thicken”。thickness direction選擇“symmetric”選項，并使厚度值等于參數“blade thickness”。生成下圖所示的體。

圖4 生成葉片體

1. 6.     選擇葉片正面和背面對應的兩條邊以創建圓角。選擇圓角半徑為“0.5 * blade thickness”以獲取圓弧形前緣和后緣，最終葉片形狀如下圖所示。

圖5生成圓弧形葉片前緣和后緣

1. 7.     為葉片創建圓形陣列。重復次數等于葉片數。

第2步，葉片輪轂和外殼

2.1.     要創建輪轂，請使用與葉片草圖相同的草圖平面創建一個圓盤。輪轂半徑等于“blade chord + blade offsetfrom center + offset from blade trailing edge (TE)”。

2.2.     對于外殼，從原始草圖平面通過變換（Plane by Transformation）創建平面，將變換Z方向長度設置為“blade height”。創建同心圓草圖，外圓半徑等于輪轂半徑（hubRadius），內圈半徑等于“blade offset from center – offsetfrom blade leading edge (LE)”。

圖6 葉片輪轂

第3步，蝸殼

3.1.     蝸殼草圖是在從原始草圖平面沿負Z方向轉換的平面上創建的，其值等于“bladevolute offset”。

3.2.     蝸殼的圓形截面是使用7條構造線創建的，以45°的間隔覆蓋270°的截面。第一條構造線的長度設置為“hub radius+ volute offset”。第一構造線的長度作為所有其他構造的參考（reference）。構造線的長度以“volute offset”的倍數增加，以獲得平滑的蝸殼曲率，如下圖所示。**注意：可以更改構造線的數量和偏移量以獲得所需的蝸殼形狀。

圖7 蝸殼構造線定義

3.3.     創建樣條線，并使每個點與上述構造線的外部端點重合。通過創建2條附加的構造線來固定末端的角度，這兩條附加的構造線與樣條曲線末端重合并垂直于這些樣條線端點處的構造線。這些新創建的構造線與樣條曲線相切，可以直接點擊樣條線直接設定端頭段的切線角度，最終如下圖中所示的藍色構造線和樣條曲線。

圖8 蝸殼樣條曲線

3.4.     蝸殼的直線段以“hub radius”為基準創建，在一端使用圓弧，另一端使用相切約束與輪轂平滑連接。圖10顯示了最終的蝸殼草圖。

圖9 蝸殼直線段樣條曲線

圖10 蝸殼草圖

3.5.     對蝸殼草圖創建一個拉伸操作，拉伸距離設置為“blade height + blade volute offset*2”。

第4步，MRF和入口區域

4.1.     在葉片周圍創建一個圓柱形圓盤。確保MRF圓盤是“hub radius”和“blade height”的函數。從蝸殼中減去MRF區域，從MRF區域中減去風機葉片和輪轂部分，得到旋轉和靜止部件。

4.2.     在蝸殼平面上創建一個圓柱形圓盤，參考第2步，將入口半徑設置為“offsetfrom blade leading edge (LE)”的函數，Z方向的拉伸長度設定為“hubRadius”的函數。

4.3.     離心風機的最終幾何形狀如下圖所示。

圖11 離心風機幾何

第5步，反向掃掠/向前掃掠和徑向葉片

5.1.     只需為特征樹中的蝸殼體創建鏡像變換，就可以使離心式風扇反向掃掠/向前掃掠。該變形是在蝸殼的拉伸操作之后產生的，可以被抑制以得到向前掃掠葉片，而未被抑制得到反向掃掠葉片。需要改變旋轉方向以改變反向掃掠葉片的物理設置。

5.2.     可以通過將參數葉片曲率（curvature）設置一個非常小的值（即0.001mm）來獲得徑向葉片。下圖顯示了向前掃掠，徑向和反向掃掠葉片的示例。

圖12 向前掃掠葉片

圖13 徑向葉片

圖14 反向掃掠葉片

        完成的參數化離心風機模型，可以直接轉入STAR-CCM+的Design Manager中，進行進一步的優化分析或者方案掃掠分析。另外該建模過程也可以在建模工具如SimcenterNX、CATIA、Inventor、ProE中實現，通過建模工具中的STAR-CCM+直接接口，將參數化模型一鍵式導入STAR-CCM+中。

圖15 Design Manager中的參數化模型可變參數

本文參考文獻：

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

模型文件文件請點擊以下鏈接下載：

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

提取碼：7z03

 文章來源NX牛叉數字孿生源頭