基于NURBS三维造型的粘性气动最优化设计技术

开发了用非均匀有理B样条对叶轮机械叶片进行参数化三维重构的建模方法,成功实现了透平叶片、压气机叶片和风扇叶片的统一三维重构,并把该模块集成到了基于商业软件iSIGHT的气动优化平台中。在该气动优化平台上通过选择不同的优化策略,对一透平叶片分别进行了“基迭方式气动优化”和“全三维气动优化”,结果证明优化效果显著。     

离心压气机叶片三维气动优化设计

本文针对离心压气机叶片的倾和掠的特征,建立三维气动优化设计系统.采用NURBS曲线和曲面分别对离心压气机叶片前缘基迭线和中弧面进行参数化建模,相应控制点作为优化设计变量,以提高不同工况下离心压气机的整级效率为优化目标,同时采用变复杂度模型的优化策略缩短优化设计周期.算例结果表明这种离心压气机叶片三维气动优化设计方法对提高整级效率具有良好效果.     

基于遗传算法和逐次序列二次规划的叶栅基迭优化

本文提出并实现了一种叶轮机械全三维优化设计体系。该组合优化方案基于遗传算法(GA)进行全局搜索,响应面(RSM)近似建模和逐次序列规划(SQP)局部寻优,采用高阶非均匀有理B样条进行三维叶片参数化造型和高精度、高分辨率Navier-Stokes求解程序进行粘性流场数值模拟。通过对一低展弦比大折转角的透平环形叶栅进行基迭优化,结果表明该组合优化方案具有很好的效率、可靠性和全局搜索能力。     

高负荷低压涡轮的多级气动优化设计

采用多级涡轮气动优化设计流程对某四级高负荷低压涡轮进行多级气动优化设计.首先采用准三维设计减少静叶叶片数,并初步提高性能,然后应用多级局部优化进一步提高总体性能.优化联合采用人工神经网络和遗传算法对各列叶栅进行三维局部优化.流场计笄采用全三维粘性流N-S方程求解.通过优化设计,改变了级负荷系数和切向升力系数在各级中的分布,改善了各列的性能,总效率提高0.6%,总流量基本不变,总体性能提高.     

基于全叶片曲面参数化方法的涡轮气动优化

为进一步挖掘涡轮性能潜力,实现气动优化参数化降维,减少优化耗时,基于全叶片贝塞尔曲面参数化方法、多岛遗传算法和CFD求解器构建了涡轮三维优化平台。通过建立涡轮叶片吸压力面展开曲面和贝塞尔曲面的参数化映射,全叶片贝塞尔曲面参数化方法实现了叶片吸力面和压力面的同时变形控制,减少了优化控制变量,具有型面光顺性和构造便捷性。对TTM跨音涡轮开展全局气动优化设计研究,结果表明：优化历时约70 h,涡轮设计点绝热效率提升0.48个百分点,流量增加0.97%,膨胀比下降0.32%,验证了曲面参数化优化方法对涡轮气动优化问题的有效性、工程实用性和降维特性。     

透平叶栅三维粘性气动反问题的控制理论方法

将基于控制理论的形状优化设计方法应用于粘性可压流动条件下的透平叶栅三维气动反设计,详细推导了三维N-S方程伴随系统的偏微分方程组及其各类边界条件.讨论了伴随系统的解的适定性条件,并由此给出应用N-S方程进行气动优化的目标函数的选取限制.研究了伴随方程的数值求解技术,给出敏感性导数的最终计算式,结合拟牛顿算法发展了三维透平叶栅粘性反问题的气动设计方法.     

边界层转捩对风力机气动性能模拟结果的影响

本文采用CFD软件包FINETM/Turbo,选用结合AGS转捩模型的S-A湍流模型,研究边界层转捩对NORD-TANK 500/41型风力机LM19.1叶片三维流场的影响,并与采用-方程S-A和两方程k-ω(SST)模型获得的全湍流计算结果比较.在计算结果与实验数据进行对比的基础上,分析了三维粘性流场的流动细节,探讨了边界层转捩对风力机叶片气动性能和载荷预估的影响,获得了叶片转捩线随风速和沿展向的变化趋势.结果显示边界层转捩使数值计算的叶片性能和载荷增大、边界层分离推迟,为风力机叶片的优化设计提供参考.     

一个基于高阶导数的三维叶片成型系统开发

在准三维气动设计的基础上,提出一种基于立方样条曲线直接定义叶型中弧线二阶导数的方法构建二维叶型,根据相应的积叠参数对叶型进行积叠获得三维叶片的叶片成型方法,并开发了相应的三维叶片几何成型系统程序。研究结果表明:该叶片成型系统能够充分保证几何参数的光滑性,这在高负荷压气机设计中对于提高级负荷水平、控制激波结构与激波损失、控制角区二次流损失、拓展压气机失速裕度等方面具有诸多优势。     

小展弦比调节级三维多目标气动优化设计

大功率汽轮机调节级动叶是典型小展弦比叶片。动叶通道内上下通道涡交汇,流动呈现强烈的三维特性,其设计优化本质上是一个三维优化问题。结合自适应多目标差分进化算法、基于能量法的三维叶片造型方法和RANS方程求解技术,发展了轴流式叶栅三维多目标气动优化设计方法。利用该方法,完成了某典型大功率汽轮机调节级多目标气动优化设计。优化后小展弦比调节级气动性能明显提高,表明该方法具有良好的优化性能和应用前景。     

多级轴流压气机三维数值优化设计

开发了利用非均匀有理B样条对叶轮机械三维叶片进行参数化重构的叶片造型模块和提供多种优化方法的优化模块;集成上述模块以及自主开发的网格生成软件和流场求解软件,建立了压气机气动数值优化平台.在该平台上对某5级轴流压气机末级静子进行了气动数值优化设计,取得了良好的优化效果,压气机性能得到有效提高.     

叶轮机械叶栅多目标多学科设计优化算法

提出了基于多目标寻优的叶轮机械叶栅多学科设计优化算法,方法包括:采用并行多目标差分进化算法作为优化求解器来搜寻叶栅多学科设计优化问题的Paxeto解集,采用非均匀B样条方法对叶片型面进行参数化处理,通过求解Reynolds-Avergaed Navier-Stokes方程评估叶片的气动性能,耦合气动计算得到的叶片表面压力,应用有限元分析方法预测叶片的强度性能.为证明本文方法的实用性,选择叶片的等熵效率和叶片应力为目标函数,完成了NASA Rotor 37转子叶栅的多学科设计优化,结果表明本文提出的多学科设计优化算法具有良好的优化性能.     

某型低压涡轮导向器叶栅改型实验研究

实验研究了不同冲角下子午流道具有较大扩张角的某型低压涡轮导向器原型和改型叶栅的气动性能。结果表明,通过改变端壁型线扩张规律及三维叶型积迭线,改型叶片表面静压分布更加合理,叶栅的流动损失显著减小,流场结构得到明显改善,叶栅气动性能的提高表明改型是成功而且有效的。     

Aerodynamic design optimization by using a continuous adjoint method

This paper presents the fundamentals of a continuous adjoint method and the applications of this method to the aerodynamic design optimization of both external and internal flows.General formulation of the continuous adjoint equations and the corresponding boundary conditions are derived.With the adjoint method,the complete gradient information needed in the design optimization can be obtained by solving the governing flow equations and the corresponding adjoint equations only once for each cost function,regardless of the number of design parameters.An inverse design of airfoil is firstly performed to study the accuracy of the adjoint gradient and the effectiveness of the adjoint method as an inverse design method.Then the method is used to perform a series of single and multiple point design optimization problems involving the drag reduction of airfoil,wing,and wing-body configuration,and the aerodynamic performance improvement of turbine and compressor blade rows.The results demonstrate that the continuous adjoint method can efficiently and significantly improve the aerodynamic performance of the design in a shape optimization problem.     

基于风力机叶片铺层的频率优化设计

从叶片的铺层角度出发,编程建立了一种风力机叶片的约束优化设计模型。采用风力机叶片主梁帽的铺层厚度及位置为优化设计变量,在保证气动外形不变,满足各种约束的情况下,以获得最大一阶挥舞频率为设计目标,使用改进粒子群算法进行搜索约束优化解。结果表明:合理地设计主梁帽的铺层厚度和位置能得到更好的结果,验证了模型的有效性。优化结果对工程设计具有一定的参考价值。     

Darrieus风力透平气动设计参数优化

针对Darrieus垂直轴风力透平,本文首先引入多流管方法,并在验证基础上,开展了样机设计和参数化优化研究。结果表明,多流管模型具有较高的准确度。利用此方法获得了Darrieus垂直轴风力透平参数优化的规律性认识。     

全工况性能优化在压气机多级环境中的应用

本文建立了轴流式压气机叶片气动优化设计系统,选择NURBS作为二维叶型和三维弯扭联合造型的主要方法,采用组合优化策略,对压气机全工况性能进行优化.优化过程采用了变复杂度模型,结合并行计算,大大减少了优化设计周期.优化后,全工况范围内效率得到了提升,同时流量范围有所增大,设计工况点效率提高0.7%,前三排叶片的喘振裕度比优化前提高了7.9%,扩大了稳定工作范围.     

基于本征正交分解的气动优化设计外形数据挖掘

气动外形的全局优化设计会产生大量的过程数据,其中隐含的设计知识具有较高的挖掘价值.数据挖掘有助于获取直观、可定性描述的设计知识.本文采用基于本征正交分解的数据挖掘方法从气动优化设计的过程数据中获取设计知识,数据挖掘对象为跨音速压气机转子叶片NASA Rotor 37的优化过程数据,该数据由基于粒子群方法的绝热效率最大化优化设计产生.结果表明:基于本文数据挖掘方法获取的设计知识能够直接反映气动外形的变化规律,为叶片的气动外形设计提供参考;数据挖掘的设计知识成功地验证了优化设计结果的有效性.     

不同积叠线形式对涡轮性能的影响

用求解Ｓ２流面平均Ｅｕｌｅｒ方程组程序对一个两级涡轮进行了数值模拟,静叶采用弯叶片,且采用了不同的积叠线生成方式;用高精度三维ＮＳ方程求解软件对第一级静叶进行了不同弯曲方式的数值模拟,分析了不同积叠线生成方式对涡轮性能的影响。