基于综合评价函数的冷却风扇蜗壳多参数优化-骆清国.pdf

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1、第37卷第4期2 0 l 6年4月兵 工 学 报ACTA ARMAMENTARIIVoI37 No4Apr 2016基于综合评价函数的冷却风扇蜗壳多参数优化骆清国，尹洪涛，宁兴兴(装甲兵工程学院机械工程系，北京100072)摘要：为提高冷却风扇蜗壳的综合性能，建立包含u型蜗壳半圆段半径足、蜗壳高度日、蜗壳半圆段圆心与叶轮中心的偏差(x、y)、叶轮底面与蜗壳内壁的距离zP等参数的蜗壳参数化计算流体力学模型。对初始模型进行了验证。建立蜗壳的综合评价模型，利用熵权法计算了综合评价函数中蜗壳体积、风扇功耗和1风量等指标的权重。以综合评价函数为目标函数，采用响应面法对蜗壳进行了优化。研究结果表明：蜗壳半

2、圆段半径R和蜗壳高度日是蜗壳综合评价函数的主要影响因素；随着尺和日的增大，综合评价函数先减小、后增大；经过优化后，蜗壳综合评价函数值减小了2343，性能显著改善，证明该方法能够应用于冷却风扇蜗壳的优化设计。关键词：兵器科学与技术；冷却风扇蜗壳；综合评价函数；多参数优化；响应面法中图分类号：TK4242 文献标志码：A 文章编号：1000-1093(2016)04058407DOI：103969jissn10001093201604002Multi-parameter Optimization of Volute of Cooling FanBased on a Comprehensive Ev

3、aluation FunctionLUO Qingguo，YIN Hong-tao，NING Xingxing(Department of Mechanical Engineering，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China)Abstract：To improve the comprehensive performance of volute，a parametric computational fluid dymamics model of a Ushaped fan volute with the radius

4、of semicircle segment，the height of volute，the deviation of the center of semicircle segment from the center of impeller，and the distance from bottom surfaceof impeller to volute internal wall is established，which is verified by experimentsA comprehensive evaluation model of volute is establishedwhe

5、re the weights of indexes in the modelsuch as volume of VOlute，power consumption of cooling fan，and 1air mass flow rate，are calculated with entropy methodThe volute is optimized using response surface method by taking the comprehensive evaluation value asobjective functionThe results show that the r

6、adius R of semicircle section and the height H of volute arethe main factors affecting the comprehensive evaluation functionWith the increase in H and Rthe cornprehensive evaluation function decreases firstly and then increasesAfter optimizing，the comprehensiveevaluation function value of volute is

7、reduced by 2343of which the performance is improved significandyThe research shows the proposed method can be used for the optimization design of volute of cooling fanKey words：ordnance scicne and technooogy；volute of cooling fan；comprehensive evaluation function；multiparameter optimization；response

8、 surface method收稿日期：2015-07-09基金项目：总装备部“十二五”预先研究项目(40402010103)；武器装备预先研究项目(104010201)作者简介：骆清国(1965一)，男，教授，博士生导师。E-mail：lqg_zgy163tom万方数据第4期 基于综合评价函数的冷却风扇蜗壳多参数优化0 引言无论是开放式风道还是封闭式风道，冷却风扇蜗壳都是装甲车辆动力舱风道的重要组成部分，其作用是收集引导离开叶轮后的空气流向风道出口，并将部分空气动压转换为静压。在这个过程中，由于高速空气不断撞击蜗壳，造成能量损失，并产生噪音。因此蜗壳是效率较低的元件之一。与普通工业风机不同，

9、装甲车辆冷却风扇蜗壳的体积、形状等受到动力舱有限空间的严格限制。因此，在综合考虑蜗壳效率、体积的基础上，进行风扇蜗壳的优化设计研究，对实现装甲车辆动力舱低阻高效冷却十分必要2。目前国内外针对提高蜗壳性能进行了较多的研究，取得了一定的成果。文乾等。进行了离心风机蜗壳形线的优化设计研究。文献45总结了离心风机蜗壳可能的影响参数。在车辆动力舱冷却风道方面，文献69研究了装甲车辆冷却风道的评价方法，并进行了动力舱的三维空气流动分析。韩凯等。进行了车辆冷却风道一维仿真研究，取得了显著效果。本文建立了某型电传动装甲车辆电驱动冷却风扇蜗壳的参数化模型。以蜗壳体积、离心风扇功耗和1风量为主要衡量指标，基于熵权

10、法建立了蜗壳的综合评价函数。以综合评价函数为目标函数，应用响应面法对蜗壳关键尺寸进行了优化，采用计算流体力学(CFD)，计算分析了诸参数对目标函数的影响，可以为动力舱冷却风扇蜗壳的设计提供参考。1 风扇蜗壳CFD模型及其验证11风扇蜗壳CFD模型针对某型电传动装甲车辆电驱动离心式冷却风扇，建立了风扇叶轮及蜗壳的三维模型，其中叶轮为弧形后向叶片，蜗壳为u型。叶轮与蜗壳异心布置。风扇叶轮与蜗壳结构如图1所示。蜗壳内空气流动为复杂的三维、湍流流动，所建立CFD模型的控制方程包括湍流标准|一占方程、质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程等。风扇叶轮为沉浸于流体域的固体旋转域，转速为4 500 rmi

11、n，采用结构化六面体网格进行划分。流体域为标准空气，采用非结构化滑移网格进行划分，在叶轮与流体域的交界面进行网格加密。网格划分结果如图2所示。边界条件设置为：入口给定总压和总温，出口给定静压边界。不考虑空气在蜗壳流动过程中与壁面图1 蜗壳及叶轮Fig1 Volute and impeller之间的传热问题。利用ANSYS Workbench中的CFX组件进行求解。流场【I边界() 2IJ() 4f1()-一 IflI)11)() 30()图2 流场网格划分及边界设置Fig2 Mesh generation of flow field and settings of boundary12 CFD

12、模型的验证为检验风扇蜗壳CFD模型的精度，在冷却系统试验台上进行了实验验证。设计制作了同比例大小的蜗壳，采用德国EBMPAPST公司产K3G310一AZ88-02型后弯离心风机和精度为02级、量程为030 ms的热膜风速仪。实验时风扇转速为4 500 rmin，环境温度为26 cc，大气压力为890 kPa测点分布如图3所示。图3测点分布图Fig3 Distribution of measuring pints万方数据586 兵 工 学 报 第37卷将风扇蜗壳CFD模型计算得到的出风段空气法向速度分量与试验值进行了对比，结果如表1所示。CFD模型计算值与测试值对比的最大误差为833表1 蜗壳出

13、口处空气法向速度分量对比Tab1 Normal velocity comparison of air flow atoutlet nf vnlute测点 测量值(ms“)计算值(ms。) 相对误差1741681711081l l1028 38 176一l 722 3835I一8 3354l一4 903 617415 262风扇蜗壳的综合评价模型为了给风扇蜗壳优化提出一个清晰、明确的优化目标，需要综合考虑影响风扇蜗壳性能的各方面因素，建立风扇蜗壳的综合评价模型。除风扇的功耗和风量外，由于车辆动力舱空间有限，也必须考虑蜗壳体积。为了使各指标的趋向性一致，将风量取倒数，则3个指标都为极小型指标。因此

14、，将蜗壳体积、风扇功耗、1风量作为蜗壳的综合评价指标，采用熵权法确定各指标的权重，建立综合评价模型。在信息论中，事物的信息量越大，其不确定性越小，熵值也就越小，反之熵值越大。正是利用了熵值的特点，熵权法是综合评价技术中的重要方法。它利用熵来确定各指标的权重，从数据中挖掘各指标之间的权重关系，能够避免人为因素的干扰，使评价结果更加客观公正。共有m个模型方案，每个模型方案对应一组特定的指标。本文中共有3个指标，将所有指标做同向极化处理后，第i个方案的第J个指标为菇。(i=1，2，m，=1，2，3)，则各方案可以表示为X。=戈“，z。2，戈d将各方案的指标向量逐行排列，并进行规范化后得到规范化矩阵R

15、=(r。)。，标准归一化后得到标准矩阵P=(Pi)。，其中r。=兰，P。=善h2。上mr。根据熵权的定义，计算第J个指标的熵值为1m勺=一志pdln P口 (1)勺2一而刍pdm口 L 1，根据熵值与权值的关系，计算各指标权值的大小为】一e山，=一(2)凡一e，蜗壳的综合评价模型为工。=60l工+Z+以， (3)式中：以以分别为蜗壳体积、风扇功耗和1风量的值。3不同参数的风扇蜗壳CFD计算建立了风扇蜗壳的参数化模型，参数包括：蜗壳半圆段半径尺、蜗壳的高度日、蜗壳半圆段圆心与叶轮中心的偏差(X、Y)、叶轮底面与蜗壳内壁的距离zJp以原有方案为初始值，在保证蜗壳与叶轮合理配合及满足动力舱空间限制的

16、前提下，设置了多组参数，利用CFX组件分别计算每组参数下蜗壳体积、风扇功耗和l风量。计算结果如表2所示。将表2中各方案指标代入(1)式、(2)式后，计算得到蜗壳体积、风扇功耗和1风量的权值向量：=(0634 17，01 14 23，0251 6)。得到风扇蜗壳的综合评价函数为正。=0。634 1强+01 14 2辅+0，251畈(4)4基于综合评价函数的风扇蜗壳多参数优化综合考虑风扇蜗壳的空气质量流量、风扇功耗和体积，以综合评价函数值为目标函数，以R、日、x、y和zP为设计变量，建立蜗壳优化设计数学模型为min。Rr0+x2+y2， xo，l，o； (5)【Hho+ZP， ZP0。式中：r0为

17、叶轮半径，此处为190 mm；ho为叶轮高度，此处为104 mm41晌应面模型的建立响应面法(RSM)是利用试验或仿真得到的数据，建立输入变量和输出变量之间的多项式关系，进而预测非测试点的响应值川。带有交叉项的2阶多项式近似程度好，求解万方数据表2 不同参数设置时计算结果和响应面预测值Tab2 The calculated results of different parameter settings and the predictive value of response surface注：序号1为初始值。方便，因而常应用于工程寻优问题1。2阶响应面 B=(AA)“AZ (8)函数的一般公式

18、为 代人数据后即可计算系数矩阵曰Y=F()=3。+卢。+L,口；+L=l i=l卢i口。口，+s， (6)IJ式中：F(石)为响应面函数；n；、n，为设计变量；n为设计变量个数；口为待定系数；s为近似误差。本文考虑的影响风扇蜗壳综合性能的设计参数有5个，为降低计算量，同时提高构造响应面的精度，使用中心复合试验设计法(CCD)进行试验设计。在设计域内构造设计点27个，在ANSYS Work-bench中生成设计点，自动更新三维模型，并划分网格进行计算，参数取值及计算结果如表3所示。设参数向量A=(R，H，X，Y，zP)，曰为(6)式中未知系数组成的矩阵。则(6)式改写为f=AB+s， (7)则采

19、用相对均方根误差(RMSE)进行验证3。进行验证时，使用拟合曲面时未使用的点。响应面RMSE计算公式为RMSE：再1：州。z 属i习(9)式中：J7、r。为设计域内用于检验点的数量；为设计域内各点仿真值的均值；z。和z。分别代表用于检验的点响应值和仿真值。RMSE越小，表示响应面值越接近仿真值，即响应面误差越小。采用表3所示的点进行响应面拟合精度验证。计算响应面函数RMSE=0022 56004，说明所建立的响应面满足预测精度要求1“。42诸参数对综合目标函数的影响分析通过对综合评价函数降维处理，得到不同指标之间的交互作用对综合评价函数的影响，如图6所示。限于篇幅，这里只给出影响较显著的尺和H

20、交万方数据588 兵 工 学 报 第37卷215000215000215000215000215000200000230000215 000215 000215 Ooo215000210750210750210750210750219 250219250219 250219 250210 750210 750210 750210 750219250219250219250218 000218000218000205000230 000218000218000218 000218000218000218000213958213958221042221042213 958213 95822l 04

21、22210422139582139582210422210422139582139582210422500025 00025 00025 00025000250002500000005000025 00025 00017 91717917179171791717917179171791717917320833208332083320833208332 083320832500025 00025000250002500025000250002500025 0000 00050 00032 0831791717 917320831791732083320831791717 91732 083320

22、83179173208317 91717917125005000200001250012 500125001250012500125001250012 5001037514 62510 3751462510375146251037514625103751462510375146251037514 62510 37501070 1070 107010501080105010801050 1090 0980 11 5010801030 1040109010401090109010501040109o1lO010501100 1050 1066 1196 2546162590262245969621

23、9581167635 7186 09260886388607663025783615461996543595561926 02562725 8ll6 1926 01637143998365737233839381236193 892389039393 5823703602083603593575237973，9476 802354836743 7533 8013 742415l36961 70l1 7881 692l 678l 7461708169017091820422216701 69523102863l，69321741 727177l25251639170117021739167518

24、18168427 219250 221042 32 083 32 083 14 625 0111 6297 3853 1759互作用、R和zP交互作用、日和X交互作用、H和y交互作用对综合评价函数的影响。从图4图7可以看出，蜗壳半圆段的半径尺和蜗壳高度日对综合评价函数影响比较显著。综合评价函数随R和日的增大先减小后迅速增大。这是因为当尺和日较小时，增大尺和日值能够减小空气在蜗壳内的流动阻力，从而提高风量并降低风扇功耗；当R和日增大到一定程度，前述效果不再明显，而蜗壳体积迅速增大，导致综合评价函数增大。ZP对综合评价函数影响不明显，且当尺一定时，综合评价函数随zP的增大稍微增大，原因在于增大zP

25、同样能够减小空气在蜗壳内的流动阻力，从而增大风量，降低风扇功耗。x和y对综合评价函数影响较小。当日一定时，综合评价函数随x、y的增大先减小、后增大，原因在于增大蜗壳与叶轮的偏心距，能在一定程度上改善蜗壳工作过程中的型线，提高蜗壳综合性能；当偏心距增大到一定程度后，必然导致蜗壳半径R增大，使蜗壳体积增大，影响蜗壳综合性能。43 基于响应面法的风扇蜗壳多参数全局寻优利用响应面模型，对风扇蜗壳的半径、蜗壳高，2，4，6789m他BH”m掩坶加M毖笛拍万方数据第4期 基于综合评价函数的冷却风扇蜗壳多参数优化 589幽4 尺釉交互作|j时综合泮价函数的影响Fig4 The effect of inter

26、action of R and日oncomprehensive evaluation function图5 R和zP交互作用对综合评价函数的影响Fig5 The effect of interaction of尺and ZP oncomprehensive evaluation function度、半圆段圆心与叶轮中心的偏差和叶轮装配位置等参数进行了预测设计，以优化蜗壳的综合性能。以综合评价函数为目标进行寻优的结果如表4所示。对比了优化后的结果和原来的结果，1风量降2 624222 01 8161 4122图6 H和x交互作用对综合评价函数的影响Fig6 The effect of inter

27、action of H and X on川)111Ifhe r1】、I-I、altJat】，11 fIII(-fh11图7和y交互作用对综合评价函数的影响Fig7 The effect of interaction of H and Y oncomprehensive evaluation function低了3272，风扇功耗降低了875，体积增大了52，综合评价函数减小了2343从上述优化前后对比结果可知，使用综合评价函数作为目标函数，采用响应面方法可以对蜗壳关键尺寸进行优化，且效果明显。表4 参数寻优结果Tab4 Results of parameter optimization5结论

28、过程另霉慧鍪蒜验设计，构建了综合评价1)利用熵权法确定的蜗壳的综合评价函数作 函数的响应面，减少了仿真试验次数，同时能够准确为优化的目标函数，避免了人为因素的干扰，使优化 反映风扇蜗壳各参数对蜗壳综合评价函数的影响。O505050243322：厂万方数据590 兵 工 学 报 第37卷3)从综合评价函数响应面模型可以看出：参数R和H对蜗壳综合评价函数影响显著，随着尺和日的增大综合评价函数先减小后增大；参数x和y对综合评价函数的影响趋势与前两者相同，但不显著；综合评价函数还随着参数zJP的增加而略微增加。1234567参考文献(References)祁大同，姚承范，朱营康，等离心风机蜗壳型线的改

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