本發(fā)明屬于風機蝸殼與風道的設計領域，涉及一種高風量風機蝸殼與風道拓撲優(yōu)化設計方法。

背景技術：

1、風機風道系統(tǒng)用于輸送空氣，是通風系統(tǒng)的重要組成部分。其設計要求是把一定量的空氣按設計要求的速度通過風道輸送到指定地點，風量大小直接決定通風效率。隨著工業(yè)和住宅領域?qū)δ茉葱始碍h(huán)境舒適度要求的提高，優(yōu)化風機風道系統(tǒng)設計顯得尤為關鍵。本文針對某款冰箱的冷藏風機蝸殼與風道采用拓撲優(yōu)化技術進行優(yōu)化設計方法，旨在設計出一種蝸殼形式與風道布局方式，該結構在降低能量損耗的同時，能夠提高出風口的流量。

2、傳統(tǒng)的風機蝸殼風道設計，一方面依賴于工作人員的經(jīng)驗，需要經(jīng)過多種嘗試的設計，仿真，與驗證。這大大增加設計產(chǎn)品的工作時長與投入成本。另一方面，所設計的風機蝸殼與風道布局形式往往不是較優(yōu)的，容易出現(xiàn)風量較小，能耗高，甚至在出風口出現(xiàn)回流等現(xiàn)象。為了解決之一問題，提出了風機蝸殼風道拓撲優(yōu)化設計方法。

3、拓撲優(yōu)化方法是一種在給定的載荷、支撐條件和材料特性下，通過數(shù)學方法確定材料在結構中的最優(yōu)分布的技術。它在工程設計和制造領域中具有廣泛的應用，尤其是在需要減輕重量、提高性能和降低成本的場合。本發(fā)明主要將拓撲優(yōu)化技術應用到風機蝸殼風道的優(yōu)化設計中來，利用最少的時間成本與人工成本，擺脫對于人為經(jīng)驗的依賴。設計出具有低能耗，低渦量，高風量等優(yōu)勢的新風機蝸殼與風道的布局形式。本發(fā)明所優(yōu)化出的新風機蝸殼與風道具有低能耗，低渦量，高風量的優(yōu)勢。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決工程領域風機蝸殼風道的回流，能耗高與風量低的問題，提出一種用于風機蝸殼風道拓撲優(yōu)化設計方法。通過拓撲優(yōu)化技術手段，只需要給定出口位置與入口位置便可以進行風機蝸殼的最優(yōu)形式以及風道的自動尋優(yōu)布局。本發(fā)明所提出的風機蝸殼風道的拓撲優(yōu)化方法所優(yōu)化出的新風機蝸殼與風道具有低能耗，低渦量，高風量的優(yōu)勢，包括以下步驟：

2、第一步：拓撲優(yōu)化入口邊界條件的獲取方式，所述邊界條件通過自由場中風機額定轉(zhuǎn)速獲得風機的切向速度與法向速度；

3、第二步：風機蝸殼風道拓撲優(yōu)化模型的建立

4、2.1入口邊界條件與出口邊界條件的設置；

5、所述步驟2.1中，入口邊界條件為速度邊界條件，入口速度用ux與uy表示，ux與uy的定義為公式9；出口邊界條件設置為壓力邊界條件，靜壓0pa。

6、2.2風機蝸殼風道拓撲優(yōu)化模型的結構設計；

7、第三步：將風機蝸殼風道拓撲優(yōu)化模型進行三維模型的重構與流場分析，利用網(wǎng)格過濾器獲取新的風道蝸殼輪廓，使用有限元方法計算優(yōu)化后風道蝸殼的風量大?。?/p>

8、第四步：使用有限元方法計算初始風道蝸殼的風量大小；

9、第五步：優(yōu)化前后風量對比，計算風量提升量。

10、本發(fā)明的技術方案工作原理是：流場分析部分計算采用的是穩(wěn)態(tài)模型，風道壁面設定為無滑移的邊界條件。由于風道內(nèi)部流動的復雜性，尤其是壁面的復雜性，可能會對流動特性產(chǎn)生顯著的影響。例如管道內(nèi)部可能會出現(xiàn)流動分離、湍流過渡或流動阻塞等情況。為了準確地模擬其內(nèi)部流動，選擇正確的湍流模型至關重要。與其他湍流模型相比，k-ω模型作為一種低雷諾數(shù)模型，能夠解析到壁面附近的流動，直至壁面本身。這種模型在處理內(nèi)部流動、強曲率流動、分離流和射流等復雜流動情況時，展現(xiàn)出更優(yōu)的性能，特別適合于模擬風機風道內(nèi)部的流動情況；拓撲優(yōu)化部分優(yōu)化流程是從原始風道出發(fā)，拓寬設計空間，構建優(yōu)化設計域，并進行網(wǎng)格離散化。在風道拓撲優(yōu)化設計的初期階段，我們通常對風道的具體布局沒有預設概念，只知道風機和出風口的位置。拓撲優(yōu)化的密度法，是一種在結構拓撲優(yōu)化中廣泛應用的技術。這種方法通過引入一個偽密度變量來描述設計空間中材料是否存在，這些設計變量通常定義在網(wǎng)格的每個單元內(nèi)或每個節(jié)點上。此方法具有設計自由度高、程序設計簡單與優(yōu)化結果清晰性高等優(yōu)點。以風道結構的材料密度為設計變量(θk)，以能耗最低為拓撲優(yōu)化的目標函數(shù)，施加流體域的尺寸約束(l)，優(yōu)化列式如下：

11、find：θk,(1)

12、

13、f(xi,yi)≤l(x,y),?(4)

14、

15、在風機風道拓撲優(yōu)化設計中，為了能更精確地控制流體的路徑和速度以獲得更優(yōu)的設計布局，使用層流對其進行研究。對于層流流動問題，借助有限元軟件k-ω湍流模型對風機風道計算域進行計算，流體流動由納維斯托克斯方程被描述為:

16、

17、f＝-α(θ)u,?(7)

18、

19、其中，ρ是流體密度，u是流體速度，p是流體壓力，η是流體動力黏度,是定義在計算域ω上的梯度算子,α(θ)是局部滲透率的倒數(shù)，q是正實數(shù)。風道拓撲優(yōu)化的實現(xiàn)基于密度模型的達西插值模型，在斯托克斯方程中引入阻力項f。阻力項的值越大，流體將無法在此計算域中傳輸，起到計算域中出現(xiàn)固體材料流體無法傳輸?shù)男Ч?。其中θ為邊界控制材料體積因子，取值范圍0≤θ≤1。當θ＝1時，阻力項為0，代表空氣域，流體不會受到阻礙。θ＝0時，將會產(chǎn)生巨大的阻力，此情況為固體域。

20、為了更好地實施本發(fā)明方法，進一步地，所述步驟1中，風機額定轉(zhuǎn)速rpm為1080r/min,切向速度大小ux0為1.4671m/s，法向速度為uy0為1.285m/s。

21、進一步地，所述步驟2.1中，入口速度用ux與uy表示。

22、

23、進一步地，所述步驟2.2中，迭代步數(shù)初設置為100步。

24、進一步地，所述步驟3中，所述步驟3與4中優(yōu)化前后的流場計算中，風機轉(zhuǎn)速均設置為1080r/min，保持優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)速相同，

25、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點及有益效果：

26、(1)本發(fā)明針對與風機蝸殼與風道布局通過拓撲優(yōu)化的技術手段，包括目標函數(shù)的建立，拓撲計算域邊界條件的獲取，變密度法的應用，以及優(yōu)化前后流場的分析，保證了所優(yōu)化的新的風機蝸殼風道具有低能耗，低渦量，實現(xiàn)了出口風量提升效果。

27、(2)本發(fā)明方法擺脫傳統(tǒng)風機蝸殼與風道設計中的經(jīng)驗性的依賴，以及傳統(tǒng)設計中的高昂的時間成本與工作量大的問題。通過本法明方法可以進行風機蝸殼與風道的自動尋優(yōu)布局。

28、(3)本發(fā)明方法所優(yōu)化的新的風機蝸殼風道避免了原始風機蝸殼風道回流問題，且優(yōu)化后風量提升了173.17l/min,風量提升率為34.6％。

技術特征：

1.高風量風機蝸殼與風道拓撲優(yōu)化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權利要求1所述的高風量風機蝸殼與風道拓撲優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟2.2中，風道拓撲優(yōu)化的實現(xiàn)基于密度模型的達西插值模型，在斯托克斯方程中引入阻力項f；阻力項的值越大，流體將無法在此計算域中傳輸，起到計算域中出現(xiàn)固體材料流體無法傳輸?shù)男Ч?/p>

3.如權利要求1或2所述的高風量風機蝸殼與風道拓撲優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟2.2中，θ為邊界控制材料體積因子，取值范圍0≤θ≤1。

4.如權利要求1或2所述的高風量風機蝸殼與風道拓撲優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟1中，風機額定轉(zhuǎn)速rpm為1080r/min,自由場中風機的切向速度大小ux0為1.4671m/s，法向速度為uy0為1.285m/s。

5.如權利要求3所述的高風量風機蝸殼與風道拓撲優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟1中，風機額定轉(zhuǎn)速rpm為1080r/min,自由場中風機的切向速度大小ux0為1.4671m/s，法向速度為uy0為1.285m/s。

6.如權利要求1或2所述的高風量風機蝸殼與風道拓撲優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟2.1中，出口邊界條件設置為壓力邊界條件，靜壓0pa。

7.如權利要求3所述的高風量風機蝸殼與風道拓撲優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟2.1中，出口邊界條件設置為壓力邊界條件，靜壓0pa。

8.如權利要求4所述的高風量風機蝸殼與風道拓撲優(yōu)化設計方法，其特征在于，所述步驟2.1中，出口邊界條件設置為壓力邊界條件，靜壓0pa。

技術總結
本發(fā)明屬于風機風道領域，提出一種風機蝸殼與風道的拓撲優(yōu)化設計方法，步驟如下：步驟一：通過模擬計算出自由空間場中風機四周速度大小與方向。步驟二：基于所計算的速度大小與速度方向設置拓撲計算計算域的入口邊界條件。步驟三：進行風機風道的拓撲優(yōu)化計算。步驟四：基于拓撲優(yōu)化的風道與蝸殼形式進行模型的重構與流場分析。步驟五：對原始風機風道進行流場分析。步驟六：風機蝸殼風道拓撲優(yōu)化前后風量對比，若拓撲優(yōu)化的風道與蝸殼符合預期提升風量大小則所設計的新風道完成，若提升量不足或者惡化則擴大迭代步數(shù)重復優(yōu)化過程。該優(yōu)化方法具有自動尋優(yōu)的有優(yōu)勢；所優(yōu)化出的新風機蝸殼與風道具有低能耗，低渦量，高風量的優(yōu)勢。

技術研發(fā)人員：陳文炯,王義普,張斌
受保護的技術使用者：大連理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6