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试析微型轴流风扇优化设计系统的设计实现
摘要：微型轴流电扇的优化设计系统一直是一个十分重要的研究课题，为了有效的提高微型轴流风扇的性能，尽可能缩短其设计周期，并降低微型轴流风扇的设计成本，成为了当前技术人员研究的主要目标。本文中，笔者将通过对传统微型轴流风扇优化设计系统进行浅要分析，验证系统的实际效果。
关键词：轴流风扇；优化设计；实验验证
对于微型轴流风扇的设计而言，需要经过大量的分析计算和试验以得出准确的数据，一款成功的微型轴流风扇往往都要经过十分漫长的设计周期，花费巨大的人力物力财力，而且得到的计算数据往往并非该型号微型轴流风扇的最佳数据。在本文中，笔者将尝试探讨利用流体动力学技术替代传统设计模式中的试验和计算部分，以完成新型微型轴流风扇优化设计系统的实现。
1优化设计系统的组成
就目前而言，主流的轴流风扇设计方法主要为以下两种：孤立叶型设计法；叶栅法。笔者今天在这里探讨的是一种基于孤立叶型设计法的优化设计方法，并结合了流体动力学技术和遗传算法等诸多理论，共同组建的一种优化设计方式。首先，让我们共同研究一下该系统的基础系统组成。
1.1系统语言开发
本文涉及到的微型轴流风扇优化设计系统主要采用C++和Open GRIP这两种语言进行开发设计。这其中，C++语言的主要作用，是依靠其优秀的计算能力，完成对于网格的划分，风扇参数的计算，数据库的建立，以及优化程序本身的确立。而Open GRIP则主要用于完成风扇的三维建模。实际上，随着现代化技术的发展，很多需要的功能都可以依靠其它软件的功能集成来完成，譬如ANSYS的有限元模块化分析和FLUENT流体仿真模块。如果能够有机的将这些现有软件模块功能加入到优化系统之中，将能够大幅度的提升系统的开发进度，并尽可能的提升优化系统的性能。
1.2优化设计系统的组成
输出最优值
T=T+1
连续五代之间的差值小于精度要求
由流场计算模块得到N名个体的个体适应度
由前处理器得到N名个体网格
有风扇设计模块得到N名个体的三维图形
初始化种群：在变量范围随机产生N名个体，得到初始种群，确定进化代数T=1
开始
如果要了解整个优化设计系统的组成，我们首先要了解微型轴流风扇的主要组成部分。微型轴流风扇的设计需要对包括风扇外径，轮毂比，安装角，叶片弦长，叶顶间隙等参数进行综合计算，而优化设计系统要做的工作，就是完成对于以上数据的优化计算，寻找出符合设计要求的最优参数。为了满足系统性能，本套优化系统包含四大模块，分别是风扇设计模块，前处理器模块，流场计算模块和优化计算模块，每一个模块都可以单独进行运算处理，同时也可以串联在一起完成整体优化工程。在提出设计目标之后，首先通过风扇设计模块对风扇的原始模型进行设计或再编辑，然后再根据设计要求对轴流风扇涉及到的各个参数进行详细的设计，并确定哪些参数需要进行进一步的优化，以及最终的优化目标。然后调用优化模块对所选择的参数进行优化计算，并最终得到设计需要的最终高性能微型轴流风扇。该过程可以通过流程图进行表述，流程图见下图。

个体选择，交叉，变异

2各部分模块功能分析
在了解了优化设计系统的基本组成部分之后，为了进一步对该优化设计系统进行分析，下面将对每一个模块做出详细的介绍。
2.1风扇设计模块
风扇设计模块是通过运行孤立叶型设计法得到轴流风扇的相应几何参数信息，并将这些信息传递到绘图单元，进行三维模型的绘制与创建。在这个过程中，主要设计分别对应基本参数，基元级参数和其他各类参数的三大类，即Cyhcs，Cjycs和Cqtcs。Cyhcs 类别的主要作用是进行风扇基本参数的计算，根据设计目标，利用孤立叶型设计法完成风扇的参数计算，进而得到每一个基元级的参数数据，并将这些参数数据带入到基元级参数之中。Cjycs 类别则主要负责保存计算结果，采用最小二乘法对这些结果进行拟合，完成这项运算之后，将使得弦长、安装角等数据过度的更为光滑，最大程度的保证叶片质量，同时降低风扇运转时产生的噪声。Cqcts 类别主要作用是产生弯扭的叶片，通过不同基元级的选择，产生不同类型的叶片。通过以上三个类别的综合运用，就可以得到最终的三维模型，并对该三维模型就行保存，以方便接下来的运算和导出。将整个编程过程分为三个类别，可以使得每个功能区实现自由隔离，这样就能够对其中的某一个类别进行单独编程，而不会对其他类别发生影响。在有新的设计方法需要加入到系统中时，只需要在源程序之中添加一个新的类别，就能够实现软件的升级，大大节省了软件后起升级维护的时间与精力。
2.2前处理器和流场计算模块
前处理器和流场计算模块主要是采用GAMBIT和FLUENT软件完成的，在本文介绍的优化设计系统中，采用GAMBIT和FLUENT软件提供的基于命令流的方法，先使用软件之中的脚本文件完成制作，然后再采用C++再编译的方式，直接调用前面保存好的脚本文件，最终完成整个计算过程，并实现软件的自动运行。在前处理器中可以对风扇的各项参数进行编译，然后就可以通过轴流风扇数据库保存风扇的各项参数以及最终的流场计算结果等重要参数信息。在流场计算模块中，可以对前处理器中得到的文件进行进一步的处理，只要输入各种相关参数，就可以调用FLUENT软件对轴流风扇进行细致的流场计算，并保存成为完善的计算结果或相应的参数曲线图。
2.3优化处理模块
在这个模块之中，大量的采用了遗传算法，使用概率搜索技术对最终的计算结果进行了优化。在本文描述的优化设计系统中，对于遗传算法采用了二进制的编码方式，点交叉的基因交换方式和基本的变异方式。通过遗传算法的计算，对前面得到的包括安装角，叶顶间隙等详细参数进行优化。可以将流量或者轴流风扇的效率作为优化的目标。但是在进行优化之前，必须将风扇的设计模块，前处理器，流场计算模块中的优化模式选中，这样才能够将前面这些模块之中的所有数据完整导入到最终的优化程序之中。在进行最终的优化处理时，系统会将不同个体的三维模型，数据参数，流场计算结果保存到相应的数据文件夹之中，方便调阅查询。
3实验验证
为了验证上述微型轴流风扇优化设计系统的实用性，我们以RF24S9225H型号的微型轴流风扇作为研究对象。这种微型轴流风扇的基本参数如下：安装角为49°，转速为3000R/MIN，叶轮直径为84毫米，轮毂比为0.4，叶顶间隙为1毫米。使用上述的微型轴流风扇优化设计系统对于该型号微型轴流风扇进行优化，选择优化对象为安装角，优化目标为风扇流量，优化的限制条件为风扇效率。经过系统的分析和计算，最终得出的优化后的安装角为55°，与原本的49°安装角之间相差了6°。随后，我们对优化后的风扇和原始风扇进行了对比，在比对二者P-Q曲线和E-Q曲线后，我们不难发现，两者之间的性能差异非常显著。由于微型轴流风扇的性能参数主要取决于流量大小，所以如上这种通过牺牲部分效率换取流量的增大的方式是十分可取的一种方式，能够最大限度的增加其散热性能。通过如上这个实验，笔者充分的验证了以上微型轴流风扇优化设计系统的性能。经过该系统的分析运算，风扇的静特性已经得到了非常不错的改善，能够达到风扇有化的目的，这也证实了上述优化系统的实用性和可靠性。
参考文献：
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[2]陈金鑫，赖焕新.微型轴流风扇间隙流动分析[J].华东理工大学学报：自然科学版.2013，（3）.
[3]吴文浩，柳品，金英子，钱红玉，赵屹.微型轴流风扇优化设计系统的设计实现[J].浙江理工大学学报.2011,(7).