摘要：矿用轴流通风机弯掠组合叶片的性能优化是提升矿山通风系统能效的关键技术难题，传统逆向工程方法在应对复杂气动外形与多物理场耦合效应时存在显著局限。本研究针对几何特征失真、多目标约束耦合及动态特性解析不足等核心问题，提出融合逆向工程与正向设计的创新优化框架。通过构建气动性能解耦的参数化建模体系，将前缘弯角、掠角梯度等几何参数与流场压力梯度建立非线性映射关系，实现复杂曲面特征的高精度重构。

关键词：逆向工程；矿用轴流通风机；弯掠组合叶片；优化设计；研究思路

引言：矿用轴流通风机作为矿山安全生产的核心装备，其气动性能与运行可靠性直接影响矿井通风系统的能效与稳定性。弯掠组合叶片凭借独特的三维气动外形，在提升风机效率、降低流动损失方面展现出显著优势，但复杂曲面特征与多物理场耦合效应使得传统设计方法面临严峻挑战[1]。当前逆向工程在叶片优化中的应用多局限于几何仿形层面，难以突破气动性能与结构参数间的非线性映射瓶颈，更缺乏对实际运行工况动态特性的适应性调控。

一、逆向工程设计问题分析

（一）矿用风机叶片逆向工程实施难点

矿用轴流通风机弯掠组合叶片因其特殊的气动外形与复杂的三维空间结构，给逆向工程设计带来显著技术挑战。叶型曲面呈现非均匀曲率分布特征，前缘弯掠与尾缘掠角的复合形变导致常规测量手段难以完整捕捉几何细节，尤其在流道过渡区域易产生特征点云缺失现象。参数反求过程中，叶片安装角、弦长分布等关键几何参数与气动性能间存在非线性映射关系，多参数耦合作用下的逆向建模难以建立精准的性能预测模型。

（二）传统逆向设计方法局限性

现行叶片逆向工程多采用"几何重构-样件试制-性能测试"的串行模式，这种经验主导的设计范式存在明显技术缺陷。在几何参数提取阶段，常规的曲面拟合算法难以有效处理弯掠叶型特有的流线型变特征，容易造成气动性能关键参数的失真重构。性能验证环节过度依赖物理样机试验，导致设计周期延长与研发成本攀升。

（三）性能导向型逆向建模挑战

面向气动优化的逆向建模需要突破几何逆向与性能正演的学科壁垒，这是当前研究亟待解决的核心问题。弯掠叶片的复杂三维流动特性要求逆向模型必须具备多物理场耦合分析能力，如何将表面压力分布、二次流损失等气动特征有效融入几何参数反求过程，成为提升模型预测精度的关键。动态特性分析方面，逆向模型需准确反映叶片在变转速、变攻角工况下的失速裕度与效率特性，这对参数化建模的维度与精度提出更高要求[2]。

二、弯掠组合叶片优化设计

（一）参数化建模驱动几何重构

针对逆向工程中复杂曲面特征缺失的共性问题，建立基于气动性能解耦的参数化建模体系。通过分解弯掠叶片前缘弯角、掠角梯度及弦长分布等核心几何要素，构建具有明确物理意义的控制参数拓扑网络。采用NURBS曲面技术重构叶片三维模型时，在流道过渡区引入曲率连续性约束条件，确保逆向模型同时满足几何精度与气动性能的双重要求。区别于传统几何仿形方法，该体系通过建立安装角参数与流场压力梯度的关联方程，使叶片型线重构过程自然融入气动载荷分布特性。这种参数化建模机制不仅有效克服了点云数据离散性带来的重构误差，更为多目标优化提供了可量化的设计变量空间。

（二）多学科协同优化机制构建

为解决传统逆向设计中多物理场耦合分析不足的缺陷，创新性地提出气动-结构-噪声协同优化范式。基于代理模型构建三维设计空间时，采用径向基函数网络融合CFD流场压力分布数据与FEM结构应力场特征，形成具有工况适应性的性能预测模型[3]。在优化算法层面，通过引入动态权重分配策略，使叶片弯掠参数可根据矿井通风系统实际载荷需求，在效率峰值与噪声阈值间实现自适应平衡。该机制特别针对矿用风机变转速工况特性，采用流固耦合分析方法对叶片掠角梯度进行动态修正，成功抑制了高频气弹振动引发的流动分离现象，在保证结构可靠性的同时拓展了高效工作区间。

（三）数字孪生辅助闭环优化

为突破逆向工程与性能验证间的数据壁垒，构建基于数字孪生的全生命周期优化体系。通过集成实时运行监测数据与历史工况数据库，在虚拟空间中建立叶片性能退化预测模型。采用迁移学习算法将物理样机试验数据映射至数字孪生体，实现逆向模型参数的在线补偿修正。这种闭环优化机制不仅能够捕捉叶片表面动态失速特征，还可通过逆向诊断结果指导前掠角度的实时微调，形成"气动响应-几何修正-性能验证"的智能迭代回路。相较于传统试错法，该体系将逆向工程从静态建模提升至动态优化层面，为弯掠叶片的主动流动控制提供了新的技术路径。

三、总结

（一）逆向工程与正向设计的融合创新价值

矿用轴流通风机弯掠组合叶片的优化设计研究，通过构建参数化逆向建模体系与多学科协同优化机制，突破了传统经验式设计的固有局限。将几何特征解耦与气动性能参数深度融合的建模方法，不仅有效解决了复杂曲面重构中的特征失真问题，更在逆向工程中实现了气动载荷的嵌入式表达。这种融合创新使叶片型线优化摆脱了单纯几何仿形的束缚，转而形成以气动效率为核心的设计导向。值得注意的是，数字孪生技术的引入打通了逆向数据与性能验证间的信息壁垒，其闭环优化特性为矿用装备的智能化升级提供了新的技术范式[4]。

（二）动态特性分析与工程应用拓展方向

当前研究虽在静态参数优化方面取得突破，但叶片在变工况下的动态失速抑制与气弹稳定性控制仍需深化探索。未来应着重强化逆向模型对非定常流动特征的解析能力，通过融合实时监测数据与机器学习算法，建立具有工况自适应能力的动态优化体系。在工程应用层面，需进一步验证闭环优化机制在不同矿井通风系统中的普适性，尤其需关注粉尘颗粒物对叶片气动性能的累积影响。这种从静态优化向动态调控的范式转变，或将推动矿用风机设计从被动适应向主动控制的跨越式发展，为矿山安全生产与能效提升提供更具鲁棒性的解决方案。

参考文献：

[1]张志红.矿用隔爆压入式对旋轴流通风机性能调节的研究[J].西部探矿工程，2024，36（3）：56-58.

[2]王淑博.矿用压入式对旋轴流通风机点燃源评定[J].电气防爆，2024 （1）：32-35.

[3]史俊亮.矿用轴流通风机叶片断裂问题探讨[J].机械管理开发，2024， 39（1）：229-231.