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INTERNATIONAL JOURNAL OF PRECISION ENGINEERING AND MANUFACTURING Vol. 18，No.8，pp.1155-1163 AUGUST2017/1155
Regular PAPER
DOI：10.1007/s12541-017-0135-z IS SN2234-7593（Print）/2005-4602（Online）
基于仿真的涡轮风扇形状优化降低无叶片圆形天花板空调的功耗和噪声
Yong-Hun Kang1, In-Bum Chung1, and Dong-Hoon Choi2,#
1 Graduate School of Mechanical Engineering, Hanyang University, 222, Wangsimni-ro, Sungdong-gu, Seoul, 04763, South Korea 2 School of Mechanical Engineering, Hanyang University, 222, Wangsimni-ro, Sungdong-gu, Seoul, 04763, South Korea # Corresponding Author / E-mail: dhchoi@hanyang.ac.kr, TEL: 82-2-2295-3984, FAX: 82-2-2291-0441
关键词：圆形天花板空调，涡轮风扇形状优化，设计仿真自动化过程
典型的天花板空调是矩形的，四个空气流量出口相互正交放置。这种结构有其缺点，因为它创造了一个气流死区，空气电流不能达到。此外，它还包含由控制气流的旋转叶片引起的流动阻力和噪声问题。为了克服这些问题，开发了一种无叶的圆形天花板空调，其中出口也是圆形的，以便向各个方向排放。此外，使用涡轮风扇的压力控制不是用旋转叶片控制，而是操纵气流。本研究对涡扇结构进行了优化，以提高涡扇效率，获得更高的蒸发器速度分布，同时最小化功率消耗和噪声水平。根据参数研究和灵敏度分析的结果，选择了一种优化算法PQRSM。模拟模型是使用NX创建的，而计算流体力学是使用STAR-CCM进行的,优化设计在功耗和噪声水平方面都有很好的提高。
收到的手稿：2017年1月19日/修订：2017年4月3日/接受：2017年4月7日
名词解释
Q=空气质量[CMM]
P=耗电量[W]
SWL=声功率级[dB]
SPL=声压级[dB]
- 导言
随着最近工业的进步和生活质量的提高，不仅空调的制冷或供暖能力令人感兴趣，而且住宅空间内产生热舒适的能力也令人感兴趣。1-6 导致了使用模拟和实验方法进行积极研究。天花板上安装了空调，空气流从四个方向排出，产生了更高的空间效率和气流与壁挂式或塔式空调相比的分布。因此，它经常用于多层室内空间，如商业办公室、学校和图书馆等。
典型的天花板空调是矩形形状的，由四个插座组成，放置在一个正交的间隔内，如图1（A)所示，其中加热或冷却的空气流被排出，并使用旋转叶片控制方向。叶片不仅控制气流的方向，而且减少出口的面积，以便进一步发送气流。7,8 然而，由于矩形建筑的结构限制，除了四个出口外，还在该区域出现了一个空气流死区，如图1（b）所示。此外，在叶片旋转的情况下，系统阻力随着出口面积的减小而增大，从而导致噪声的增加和空气质量的损失。为了防止这种事件的发生，而不是使用传统的矩形框架，将无叶片天花板空调的圆形配置商业化，以便在提供通过压力控制的流量管理的同时，在各个方向上提供空气流量，防止由于叶片而造成的空气质量损失，如图所示。2（a）9,10 尽管有这些优点，但作为安装
图1（a）矩形吊顶式空调器的几何形状（b）住宅环境实验结果表明，在1.6米高度的冷却风速分布
图2（a）利用压力控制气流方向的无叶圆天花空调器的几何形状（b）方形和圆形天花空调器蒸发传热表面积的比较
空间和尺寸是吊顶空调的主要因素，圆形结构要求蒸发器也是圆形的，这导致传热面积比矩形结构减少14%，如图2（b）所示。蒸发器的传热面积对产品的加热/冷却性能有着至关重要的影响，因此，为了产生相同的性能，它应该通过创造更多的空气质量或提高蒸发器的效率
图3 基于优化的设计仿真自动化过程
均匀的速度分布。11,12 虽然压力控制系统没有空气质量损失，但为了克服加热时低空气密度浮力引起的上升气流，进一步增加空气流动距离，必须有一个足够小的出口面积，以更快的排放速度。在这种情况下，像之前一样，系统阻力上升，导致噪音和功耗等级上升。因此，为了使矩形和圆形天花板空调的性能相匹配，必须优化涡轮风扇的几何形状，这对声学特性和功耗有很大的影响。
以前优化涡轮风扇形状的尝试包括Juraeva等人最大限度地提高扭矩。利用实验设计（DOE）和方差分析（ANOVA）来操纵空气涡轮机的叶片形状系数。13 Lee等人分析了基于数值分析和遗传算法的叶片轮廓优化，14 和Pyun等人。采用响应面法，通过优化叶轮的进出口角，最大限度地提高泵的效率。15 然而，以前的研究是使用随机分析，通过重复模拟和手动调整叶片或叶轮几何根据单一的目标函数。在本研究中，采用基于优化方法的设计仿真自动化过程，同时考虑了吊顶空调的主要性能因素，如空气质量和功耗，以寻找涡扇几何形状的最佳设计。本文的其余部分结构如下：第2节讨论了总体计算过程并验证了创建的模型。第3节描述了设计问题的预处理和制定。在第4节中陈述结果，最后在第5节中得出结论。
基于优化的设计-模拟自动化过程
优化程序
通常在设计模拟过程中，使用计算机辅助设计（CAD）软件进行建模，其中文件被导出以供计算机辅助工程（CAE）软件在模拟中使用。然后，CAE软件创建网格，并将边界条件应用于导入模型。由DOE选择的样本点由各种单独的模型参数组成，这些参数需要是
图4圆形配置空调网使用CAD和CAE软件生成结果
由用户手动调整。重复的手动操作可能导致边界条件或啮合模式的错误实现。因此，利用设计仿真自动化来减少任务重复过程中的错误，同时采用优化器来优化涡扇的几何形状，使整个操作不需要用户交互。基于优化的设计仿真自动化过程图如图3所示。
采用西门子的商业化CAD软件NX进行建模，采用西门子的CAE软件STAR-CCM进行仿真，最后采用Pidotech的PIANO进行优化。16-18 最后的设计通过实验得到了验证。
有限元模型验证
通过与实际实验结果的比较，在基于仿真的设计优化中，模型高可靠性的获取是必不可少的。使用CAD软件NX对要分析的对象进行建模，使用圆形结构空调，然后使用CAE软件STAR-CCM对模型数据进行网格化，如图4所示。并计算流体力学（CFD）。在此，从实验中得到了作为内部阻力的格栅、过滤器和蒸发器的多孔介质值，并进行了模拟。
为了验证分析模型的可靠性，使用风洞机进行了性能测试，并对实际实验和仿真结果进行了比较。结果如图5所示。在可以观察到的情况下，偏差小于3%，因此，所构造的模型被认为是高度可靠的，不仅对天花板空调器的几何形状，而且对涡轮风扇的流动特性。采用决定性模型进行优化过程。
优化框架的处理
设计变量、目标和问题制定
在本研究中，考虑了涡轮风扇几何优化的室内机组的空气质量、功耗和噪声水平。涡轮风扇的主要设计变量，如图所示。6、是否为进口角（alpha;）、出口角（beta;）、进口直径（D1 ）、出口直径（D2 ）、入口高度（H1 ），及出口高度（H2 ）.考虑到周围的布局，涡扇设计变量的上下边界如表1所示
图5.通过与实验的比较，得到了圆形几何型吸顶空调的仿真结果与验证
图6.主要涡扇设计变量定义
表1.设计变量的上下边界
下界 设计变量 上界
65° 入口角度[alpha;] 82°
45° 出口角[beta;] 70°
Ф280 入口直径[D1 ] Ф320
Ф450 出口直径[D2 ] Ф490
150mm 入口高度[H1 ] 172mm
112mm 出口高度[H2 ] 128mm
组件。本设计的目的是提高涡扇效率，以获得更高的蒸发器速度分布，最小化功耗和噪声水平。为了评估功率消耗和噪声水平，在STAR-CCM中使用了来自风扇旋转和Proudman声学模块的力矩。普鲁德曼声学计算声功率，以评估局部贡献的总声功率单位体积产生的湍流，用于四极噪声源，如风扇叶片周围的区域。
通常，优化问题由以下组件组成：设计变量、约束和目标函数。一个多目标优化问题可以作为一个单一的目标优化问题来解决，通过将所有目标组合到一个单一的目标函数中，使用加权和方法。加权和法根据设计者定义的期望影响为每个目标分配权重。因此，优化问题的表述如下。
-
-
- 设计变量：alpha;、beta;、D1 ，D2 ，H1 ，H2
- 目标功能：最小化F值
-
gamma; (SWL /SWL ) delta;(P /P )
F = Opt Initial Opt Initial – lambda;(Q /Q )
------------------------------------------------------------------------------------- Opt Initial
(QOpt /QInitial)
-
-
- 制约因素：C1 ，C2
-
C : ------SWLOp--t------ – SWL le; 0
1 ( --------------- ) Initial
QOpt /QInitial
C : -------- PO--p--t---------- – P le; 0
2 (Q -------- ) Initial
Opt /QInitial
（2）SWL表示噪声级系数，Proudman声学，P和Q分别表示计算功耗和空气质量的力矩系数。分母QOpt/Q初始阶段在目标函数和约束条件下，补偿空气质量对功耗和噪声水平的影响。主要目的是尽量减少等效空气质量条件下的功耗，因此，重量分别为0.3、0.5和0.2。分配给功耗的权重具有最高的值，因为集成部分负载值（IPLV）是由于该设备更多地在部分负载上运行而不是在满载上运行的，从而导致室内机的功耗在整体性能上占很大一部分。19
参数研究和灵敏度分析
为了找出每个设计变量在整个设计空间中的趋势，采用五个层次进行了参数化研究。每个变量被划分为五个区间，然后在将其余变量固定为常数的同时，评估空气质量、功耗和噪声水平的输出结果。在设计变量中，出口叶片直径对目标函数的变化似乎最大，如图所示。与噪声水平的其他设计变量相比，7（a）、（b）和（c）具有明显的非线性。
此外，还进行了灵敏度分析，以观察对进口叶片角变量的响应。在设计优化工具（DOT）使用正向差分法（FDM）获取梯度信息的情况下，
图7 .目标函数设计变量级的参数化研究结果：（a）空气质量，（b）功耗，（c）声功率级，（d）有限差步长扰动的进口叶片角（进口叶片x0.001）
图8涡扇外形初设与优化对比
有限差分步长设置为0.1%，以进行前面提到的灵敏度分析。结果显示，如图7（d）所示，在某些目标职能方面作出了高度反应。因此，基于梯度的优化技术被认为容易陷入局部最优，同时也很难获得特定的梯度信息。考虑到这一点，本研究选择了渐进二次响应面法（PQRSM）优化算法，因为它不使用梯度来求最优。20,21
优化算法：PQRSM
PQRSM算法是一种顺序近似优化算法，其中2n 11测试点被顺序采样（n是设计变量的数目），然后创建一个二阶二次响应面来执行优化。PQRSM的优点是它包含了一个智能Hessian更新规则以及一个有效的自适应置信区间算法，以获得收敛的强度和效率。此外，与其他基于代理的优化技术相比，它需要相对较少的样本点。由于这些优点提供了强度和效率，选择PQRSM优化算法进行涡扇的形状优化。
结果
优化结果
采用设计仿真自动化工艺对圆形天花板空调中
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资料编号：[246171]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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