CN113536640B - 一种基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，步骤是：(1)在布风器CAD图纸中选择影响最大的三个水平因素进行优化；(2)每个因素选取若干水平参数；(3)输入minitab中得到正交试验方案；(4)按照正交实验表的方案使用三维软件进行建模；(5)使用有限元软件对布风器内部流道模型进行有限元划分；(6)通过数值模拟计算得到模拟结果；(7)对模拟结果进行分析得到阻力系数最小的结构；(8)将得到的优化过结构进行生产得到优化后的产品。本发明应用正交试验方法优化了布风器内部流道结构，有效节约了数值模拟计算的时间，更快的得到一种优化的布风器流道。优化过后的布风器，其内部阻力比优化前明显减小。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的空调末端装置结构的设计方法，尤其涉及一种基于正交试验的布风器内部流道结构优化的设计方法，属于空调设备节能技术领域。
背景技术
随着生产力的发展，人民的物质生活极大丰富，在各种各样的生活与工作环境中，对舒适性的要求越来越高。为了保障生活环境的舒适性，空调的技术有了极大的发展与广泛的应用，无论在什么位置，舒适的环境可以保证生活质量，提高工作效率，而空调的大规模应用却带来了环境问题与能耗问题，为了解决空调能耗问题，以减少对环境的影响，制造节能空调设备已经刻不容缓。因此，发展低能耗的空调设备的产品是一个重要设计目标。
船舶空调设备一般为中央空调集中送风，而末端设备布风器是保证舱室温度环境一个非常重要的设备，通过调节阀门开度与热电偶温度，控制送风量与送风温度从而保证对舱室内温度的调整。而之前布风器的结构，由于流道的不合理性导致流道的阻力系数过高，从而造成能源的浪费，故需要设计新型的流道结构，用来降低流动时的阻力，保证低能耗。
在现有的结构设计中，工程技术人员为了节约设计成本，所以并不能把所有设计方案生产出来进行性能参数的测量。在计算机技术发展的今天，工程技术人员可以通过计算机有限元分析软件，对所设计的产品线进行数值模拟，通过模拟结果选出阻力小，噪声低的布风器结构，再进行布风器产品的生产，从而得到相较于以前阻力更小的布风器结构，但是传统方法一般采用控制变量法，由于参数与变量过多，经过排列组合后需要mn个设计方案，其中n为影响较大的尺寸因素，m为每个因素的水平参数，而低阻力的布风器内部流道结构往往需要大量的设计数据进行，找到阻力最低的方案，从而得到优化过后的结构。但这种设计方法，需要大量的数据计算，浪费设计时间与计算机设计资源。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，
本发明能在布风器试验设计阶段，加快研发周期，减少无效实验设计方案，充分利用计算机算力，减少无效方案计算时间的方案。
本发明能在设计过程上大幅度减少的无效相似的方案数量，更加快速有效地获得优化方案；在结构上，本发明优化设计的布风器由于阻力更小，解决了以往在设计布风器过程中由于无效方案过多导致布风器内部流道数值模拟时间过程过长的问题，且因结构低阻，有利于能源保护与减少环境污染。
为了达到以上目的，本发明的技术方案为：
一种基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据布风器设计图纸选取影响其内部流道的主要尺寸因素进行优化设计，确定各个尺寸因素的参数范围；
步骤2：在所选取的主要尺寸因素的参数范围内确定若干个因素水平，根据主要尺寸因素及各因素的若干个水平进行正交实验表的选择，从而进行正交试验方案设计；
步骤3：根据所设计的正交实验方案进行布风器的三维物理模型建立，并将布风器内部流道模型进行有限元化，得到有限元模型；
步骤4：使用数值模拟软件fluent，设置入口和出口的边界条件，将获得有限元模型进行数值模拟，得到数值模拟结果；
步骤5：将fluent计算得到的数值模拟结果进行分析，使用阻力系数公式进行计算比较，得到阻力系数最优的结构；
步骤6：根据所得最小阻力系数的结构进行布风器产品生产，将生产的产品进行试验台搭建与阻力系数测量，并与模拟结果和优化前的布风器进行对比，确认优化结果。
进一步的优选，步骤1中，所述的主要尺寸因素的选取数量为3个，每个尺寸因素在所设计的范围内选取五个参数。
进一步的优选，步骤2中，所述的正交试验表的选择的方法是，通过将步骤2中的主要尺寸因素的个数与在范围内所选取的各个尺寸因素个数输入minitab中后得到正交设计实验的方案。
进一步的优选，步骤3中，所述的三维物理模型建立的方法是，先使用solidworks建模软件进行布风器三维结构的物理模型建立，之后再使用ansys对布风器结构做一个内部流道抽取的操作，将抽取得到的内部流道物理模型使用mesh进行有限元网格划分，得到能进行数值模拟求解的布风器内部流道有限元物理模型。
进一步的优选，步骤4在fluent中设置边界条件还包括要对入口流速与出口压力进行设置，保证使用fluent进行数值模拟的能够得到真实工况环境的模拟结果。
进一步的优选，步骤5，通过使用fluent软件进行数值模拟后，使用fluent进行入口与出口动压与全压的数据测量代入阻力系数公式得到阻力系数。
本发明和现有设计方法相比，具有的优点和有益效果：
经过本发明的优化设计方法优化后，相较于与以往的设计方法可以减少百分之八十的无效或相似结构计算，直接得到最具代表的九个结构方案，显著节约了计算机算力与工程技术人员的设计时间。从而得到有效的优化过后的结构，且相较于以往的结构，阻力系数减少了百分之十二左右。
附图说明
图1为本发明的优化设计流程图。
图2为本发明的布风器结构示意图。
图3为本发明影响流道的布风器内部几何尺寸位置图。
图4为布风器各个方案的阻力系数与d的关系图。
图5为布风器各个方案的阻力系数与h的关系图。
图6为布风器各个方案的阻力系数与D的关系图。
图7为布风器改进前后试验与模拟的结果对比图。
图8为本发明试验台部件组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一利基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：选取如图2所示的布风器CAD图纸，选择其中三个影响最大的尺寸参数为主。布风器内部流道结构主要被挡风板位置尺寸所影响，如图3所示，挡风板距离入口端距离参数d，挡风板高度h以及挡风板距离布风器末端壁面的距离D，这三个参数主要影响了布风器内部压力、速度与气体密度分布，这三个参数主要影响了布风器的阻力系数，在总长度的靠近中线的位置进行初始的尺寸参数范围设计。
步骤2：将得到的尺寸参数范围以5为等差，由小到大得到三个尺寸因素的5个水平参数，利用minitab进行正交试验表的选择。将三个几何参数确定为正交试验设计的三个因素，选择正交试验表头如表1；正交表通常记为Ln(mk)，n为表的行数，即试验次数；k为正交表的列数，即最多可安排的因素个数；m为各因素的水平数。本次正交试验设计是3因素5水平问题，可以选用L9(35)型的正交设计表。
表1正交试验表头
将每个因素范围由大到小确定到合适水平，每次试验过程中，每个因素选取五个水平参数。把参数数据带入表中得到正交试验数据参数表，得到的实验数据参数表见表2。
表2流道参数正交水平试验表
步骤3：布风器流道参数优化有h、d、D三个变量，属于多因素、多水平问题，如果按照传统的控制变量法对布风器进行试验设计，对每个参数都进行全面试验，则共有125种方案，若分别建模并分析各个流量工况下的阻力系数的变化，计算量和工作量都比较大。而根据正交表的性质，正交表中各因素的每个水平的搭配都是均衡的。虽然试验总次数只占全部试验的1/3，但从这25个试验的结果就可以清楚地分析出对阻力系数等指标的影响最大的设计方案，可以说这25个试验代表了全部试验。使用solidworks按照图三所示的尺寸位置，对这些模型按照表2所设计的尺寸数据进行建模，再使用ANSYS的geometry模块，将solidworks建立的物理模型导入geometry，利用布尔运算，得到布风器内部流道的物理模拟。将抽取后的物理模型使用ANSYS中的mesh模块进行有限元划分得到30万左右的网格和100万左右的节点。在使用ansys的mesh模块进行有限元化的时候，进行入口与出口的边界命名以便在fluent中方便设置边界条件，设置网格采用自动控制尺寸，网格密度与其他精细度设置为最高。网格进行边界层设置，边界层设置使用全局厚度设置，设置固定的边界层厚度、固定的边界层层数与相应的生长率，得到能保证精确计算的边界层，确保最后数值模拟计算结果的精确。
步骤4：对布风器内部流道结构使用fluent进行计算，先假设布风器内部空气属于不可压缩粘性流体，且符合Boussinesq假设。流体流动遵循质量、动量、能量和湍流运输等守恒定律，描述流体流动控制方程可以写成如下：
连续性方程：
对于本研究中的三维稳态流动，方程可简化为：
动量守恒方程：
类似地，方程可以简化为：
能量守恒方程：
式中：ρ——液体密度(kg/m3)，t——时间(s)，σ——法向应力，τ——切向应力，div——数学运算符；grad——数学运算符；e——比内能(J/kg)；g——重力加速度(m/s2)；i.j——表示任何空间坐标下标的符号；k——热导率(W/(m·k))；P——系统压力(Pa)；SE——源项(N/m3)；u——x方向的速度(m/s)；v——y方向的速度(m/s)；w——z方向的速度(m/s)。
内部通道流动特性预测的可靠性和准确性取决于物理域中正确的湍流模型。标准k-ε模型、可实现k-ε模型、SST k-ω湍流模型、雷诺应力模型(RSM)和RNG k-ω湍流模型在描述具有强流线曲率、旋涡和旋转的流动方面都有实质性的改进。而k-ε模型与实验值吻合较好，误差小于5.5％。因此，本算例采用可实现的k-ε紊流模型来解释紊流。与标准k-ε模型相比，该模型对于更广泛的流量类别更为准确可靠，可以表示为：
式中：Gk——平均速度梯度产生的湍流动能(J)；Gb——浮力产生的湍流动能(J)；Ym——湍流中的脉动膨胀对总耗散功率的贡献率；C1ε——常数；C2ε——常数；C3ε——常数；αk——k的湍流普朗特数；αε——ε的湍流普朗特数。
利用k-ε模型，入口边界条件的流速与入口截面积的乘积可以决定流入布风器内部的流量，所以通过设置入口风速确定流入布风器的流量，出口边界条件使用压力进行设置，由于布风器的出口位于船舱或建筑物内，这些工况的压强一般为大气压强，且fluent中布风器出口的压强为相对压强，故出口边界条件设置为0Pa。
步骤5：计算得到结果后，通过设置界面得到计算完成所需要的结果，并且通过fluent中相应的图示显示功能，可以更详细地获得相应的流场，压力云图，湍流动能图，更加直观地了解布风器内部流道的阻力与流动情况。将需要进行阻力系数计算的参数记录下来，并通过式子13获得各个方案相应的阻力系数，其主要所测得数据见表3。将表3中的数据使用式1进行计算，得到的阻力系数。
式中，ξ是阻力系数，Pin为入口静压，Pout为出口静压；Pv为入口动压，用ρv2/2计算。A是空气分配器的进口直径。
表3改进后布风器阻力性能实验结果
步骤6：计算后的阻力系数通过origin整理出来后得到阻力系数与d、h和D的关系图，如图4，为阻力系数与d的关系图，图5为阻力系数与h的关系图，图6为阻力系数与D的关系图，比较各个方案阻力系数最小的点后，得到其中方案5阻力系数降低幅度最大，如在流量为100m3/h时，原布风器阻力系数为2.6，方案5中改进后布风器阻力系数为1.6。图7为改进前后试验与模拟的结果对比图，由结果可以发现试验结果与模拟结果的误差值非常小，可以说模拟结果是准确的。
将设计完成的布风器进行试验台的搭建，使用测量仪器对布风器的入口出口的压力进行测量记录，按照式13进行阻力系数计算，并与模拟结果进行对比如图7，可发现与模拟结果拟合度很高，说明模拟结果的准确性且得到了优化过后的布风器产品。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征，以及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的知识说明本发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种各样的变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：根据布风器设计图纸选取影响其内部流道的主要尺寸因素进行优化设计，确定各个尺寸因素的参数范围；
步骤2：在所选取的主要尺寸因素的参数范围内确定若干个因素水平，根据主要尺寸因素及若干个因素水平进行正交实验表的选择，从而进行正交试验方案设计；
步骤3：根据所设计的正交实验方案进行布风器的三维物理模型建立，并将布风器内部流道模型进行有限元化，得到有限元模型；
步骤4：使用数值模拟软件fluent，设置入口和出口的边界条件，将获得有限元模型进行数值模拟，得到数值模拟结果；
步骤5：将fluent计算得到的数值模拟结果进行分析，使用阻力系数公式进行计算比较，得到阻力系数最优的结构；
步骤6：根据所得最小阻力系数的结构进行布风器产品生产，将生产的产品进行试验台搭建与阻力系数测量，并与模拟结果和优化前的布风器进行对比，确认优化结果。
2.根据权利要求1所述基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，其特征在于：步骤1中，所述的主要尺寸因素的选取数量为3个，每个尺寸因素在所设计的范围内选取五个参数。
3.根据权利要求1所述基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，其特征在于：步骤2中，所述的正交试验表的选择的方法是，通过将步骤2中的主要尺寸因素的个数与在范围内所选取的各个尺寸因素个数输入minitab中后得到正交设计实验的方案。
4.根据权利要求1所述基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，其特征在于，步骤3中，所述的三维物理模型建立的方法是，先使用solidworks建模软件进行布风器三维结构的物理模型建立，之后再使用ansys对布风器结构做一个内部流道抽取的操作，将抽取得到的内部流道物理模型使用mesh进行有限元网格划分，得到能进行数值模拟求解的布风器内部流道有限元物理模型。
5.根据权利要求1所述基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，其特征在于，步骤4在fluent中设置边界条件还包括要对入口流速与出口压力进行设置，保证使用fluent进行数值模拟的能够得到真实工况环境的模拟结果。
6.根据权利要求1中所述基于正交试验的布风器内部流道结构的优化设计方法，其特征在于，步骤5，通过使用fluent软件进行数值模拟后，使用fluent进行入口与出口动压与全压的数据测量代入阻力系数公式得到阻力系数。
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