沙漠空气预滤器导向叶片参数化造型及结构化网格划分

董贵杨，谭业发，谭 华，周春华，杨自双

(解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007)

军用机械装备在沙漠中行驶和工作时，空气中高浓度的沙尘大量进入空气滤清器，使其滤清效能迅速下降。轻则降低发动机输出功率，重则加剧气缸磨损，从而缩短发动机使用寿命并降低安全可靠性。空气预滤器能够将气流中大部分沙尘在进入空气滤清器之前过滤掉，从而延长滤芯维护保养周期，提高军用工程装备使用效率和经济效益[1]。

空气预滤器的过滤效率和进气阻力与其内部流场的流动状况直接相关。因此，研究其内部流场对开发高效能空气预滤器产品至关重要。传统木模设计方法和吹风试验方法，效率低、成本高。计算流体力学(CFD)应用于流体机械的研发，能够描述复杂几何内部的三维流动现象，在设计的初期快速地评价设计并做出修改，不需要原型生产与反复测试，大大降低了研发费用、时间及新设计带来的风险，有效地提高了产品设计效率[2－4]。

1 导向叶片数学模型

本文借鉴国内外空气预滤器的成熟经验，并吸取其优点，设计了一种高效沙漠空气预滤器，其主要由进气口、导向叶片、旋转器、排尘口及出气口等5部分构成，如图1所示。导向叶片转向和加速气流的性能直接影响空气预滤器的过滤效率。本文建立了导向叶片平面型样板和圆柱型样板的数学模型，进行了导向叶片的三维造型及结构化网格划分，以期为叶片结构参数的优化及空气预滤器整机的CFD模拟研究提供更加高效的前处理方法。

图1 空气预滤器结构

导向叶片的成型原理是1根母线与1个圆柱面相交成一定角度，并沿圆柱面上某种曲线(常用圆弧或幂函数曲线)移动，形成的曲面即为叶片型面。

叶片设计可以采用平面型样板和圆柱型样板2种方法。采用平面型样板时，画在与圆柱面相切平面上的叶型可以直接用于制作样板和铸模，能够简化叶片的制造工艺。采用圆柱型样板方法时，预先绘制的平面型样板应该按照相应半径的圆柱弯成曲面，虽然制造过程较复杂，但却使计算流线与实际更加吻合。按照平面型样板绘制的叶片，弦长越大或截面半径越小，吻合程度越差。当叶片弦长与截面半径的比值小于0.3时，上述2种方法是等效的[5]。

首先在平面型样板坐标系下建立导向叶片内外准线方程，然后根据平面型样板坐标系与圆柱型样板坐标系的几何关系，建立圆柱型样板坐标系下的内外准线方程。

1.1 参数化设计计算

导向叶片可采用翼型叶片或板型叶片，翼型叶片是指横截面厚度沿弦长变化的翼型，而板型叶片是指厚度沿弦长不变的弯曲横截面。翼型叶片骨线主要有单圆弧、双圆弧、抛物线和幂函数型式。为了构建翼型叶片实体模型，需要确定空间不同半径回转面上叶片的翼型数据。在气动设计中初步确定叶型的主要结构参数，即确定翼型截面骨线类型以及翼型几何角，并选定原始翼型(翼型坐标数据可由Profili软件导出)。沿弯曲的翼型中线的法线方向叠加原始翼型数据，便可以获得所需的叶片三维坐标数据及截面形状。

本文所设计的沙漠空气预滤器依靠发动机进气负压驱动旋转器，风速为中、低速，其导向叶片主要起转向和加速的作用，气动性能不高。因此，导向叶片采用板型叶片即可满足空气预滤器性能要求，其准线采用圆弧加直线段型式，且根据分离性能要求，使叶片外缘出口角β2大于内缘出口角β1[6]。

导向叶片准线的主要参数如图2所示。其中:r1为内缘半径;r2为外缘半径;α为进口角;β为出口角;b为圆弧段包弧长;l为导向叶片包弧长;h为导向叶片高度。

图2 导向叶片准线坐标关系

1.2 平面型样板数学模型

为了便于设计计算和简化制造过程，首先建立导向叶片平面型样板准线参数方程。

半径为r的圆弧在x1oy1坐标系中的方程为

由x1oy1坐标与xoy坐标的对应关系可知

将式(2)代入式(1)得到圆弧段基本函数为

由图2所示α，β，b的几何关系可确定a值:

将式(4)代入式(3)即可得到基本段圆弧的函数方程:

进而可确定圆弧与直线相切点A的坐标(b，yb)。

由点斜式方法可得到直线段准线方程:

式(7)表示由导向叶片包弧长l控制直线段长度，式(8)表示由导向叶片轴向高度h来控制直线段长度，因此可根据设计时的具体要求选择不同的控制参数来控制准线。内外准线函数方程见表1。

由表1可以看出，叶片准线参数方程有α，β，b，l和h共5个控制变量，其中l和h是相关的。用Excel软件进行数据处理，实现导向叶片内外准线三维坐标值的求解。

表1 平面型样板的准线方程

1.3 圆柱型样板数学模型

为了使计算流线更加符合实际，需将准线的平面曲线方程转化为空间曲线方程。由图3所示的几何关系，采用点拟合曲线方法将导向叶片内外准线的坐标值由平面型样板转换为圆柱型样板，其转换公式如下:

其中φ=x/r为叶片包角，单位为弧度。

(x2，y2，z2)即为导向叶片准线在圆柱型样板坐标系下的三维坐标值。

2 导向叶片内流道实体模型

导向叶片内流道模型成型原理:向UG中导入三维坐标点数据得到导向叶片内外准线，利用直纹面命令生成曲面，经过对称加厚、修剪、圆角和旋转处理，得到三维实体模型，最后通过布尔运算，完成导向叶片内流道模型创建。

图3 平面型样板与圆柱型样板的坐标关系

2.1 内外准线坐标数据的计算

根据表1中的内外准线函数方程和表2中的结构参数，利用Excel软件进行数据计算，部分数据结果如图4所示，并将圆柱型样板三维坐标值存储为DAT格式，留待导入UG中进行三维建模。

表2 导向叶片结构参数

2.2 三维实体模型的构建

基于参数方程得到的内外准线三维坐标数据，利用UG三维建模软件，按如下步骤构建三维实体模型，如图5所示。

图5 几何模型

第一步，通过样条曲线命令读取DAT格式的三维坐标点，通过直纹面、加厚、修剪、旋转等一系列命令处理生成导向叶片三维几何模型，如图5(a)所示。

第二步，通过布尔运算生成整体内流道模型，如图5(b)所示。

第三步，通过旋转曲面将导向叶片整体内流道模型修剪为具有旋转周期性的单个内流道模型，如图5(c)所示，将此作为划分周期性结构网格的几何模型，并导出为STEP或IGES通用格式文件。

3 导向叶片六面体结构化网格

相比非结构化网格，结构化网格区域内的内部点具有相同的毗邻单元，对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到，区域光滑，与实际的模型更接近。结构化网格具有网格生成速度快、质量好、数据结构简单的优点，且计算结果比非结构网格更容易收敛，也更准确[7－8]。ANSYS ICEM CFD是目前市场上最强大的六面体结构化网格生成工具，具备完善的几何修补功能和先进的O网格技术。利用ICEM软件划分导向叶片六面体结构化网格应特别注意以下4个方面。

a.确定结构化网格划分策略。采用旋转周期性网格划分方法，能保证网格质量且可明显减少网格划分时间(如图6所示)。

b.为了更好地捕捉湍流边界层内的变化，导向叶片近壁面处采用外O型网格剖分，与导向叶片壁面相邻的第一个节点应该位于湍流边界层内，且湍流边界层内应包含若干节点。第一层网格的高度用NASA Viscous Grid Space Calculator计算，根据经验选择Y+值并通过模拟计算结果校正。

图6 块划分策略

c.定义旋转周期和坐标轴，选择适当的节点分布规律定义节点分布，生成单个叶片网格后旋转生成整体网格(如图7所示)。

图7 六面体结构化网格

d.良好的网格质量是计算精度和收敛速度的保证，网格质量与具体问题的几何特性、流动特性、流场求解算法有关，因此网格质量最终要由计算结果来评判。

ICEM提供了一系列评判标准，一般采用Determinant(2×2×2)－Minimum Jacobian Matrix与Maximum Jacobian Matrix比值，此标准反映了网格的综合质量(0最差，1最好)。导向叶片的网格质量分布如图8所示，没有负体积网格，大部分网格质量均在0.75以上，质量较好。在Fluent求解器中进一步检查网格质量，最重要的质量度量Maximum cell squish和Maximum aspect ratio均在许可范围内，说明此方法划分的网格可以用于数值计算。

空气预滤器整体结构比较复杂，在对整个模型进行CFD网格划分时，采用分区划分六面体结构化网格方法，网格装配后不同区域之间采用Inter-face端面进行耦合，计算机强大的插值能力能保证计算精度和计算效率。各个分区均采用结构化网格，且网格生成质量较好，因此生成的整体网格质量较高，从而提高了CFD计算效率、精度及收敛速度[9]。

图8 结构网格质量分布

4 结论

a.将圆弧加直线段型式应用于导向叶片准线造型，建立了准线的参数化方程，简化了制造工艺。

b.叶片周围采用外O型网格，得到了质量很高的近壁面网格，能更有效地捕捉湍流边界层内的变化。

c.周期性结构网格划分方法大大简化了网格生成工作，明显缩短了CFD计算网格的生成时间，为进一步模拟整个空气预滤器内流场提供了高质量计算网格。

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