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.     

级环境下某1.5级压气机动叶气动优化设计研究

针对跨音速压气机通道内部由于激波以及叶片角区内低能流体聚集产生附面层分离导致的流动失稳问题,本文基于叶列间流动匹配与控制叶型中弧线曲率的优化设计思想,以E~3高压压气机的前1.5级为蓝本,在级环境下对其转子叶片开展气动优化设计研究。研究结果表明,基于叶型中弧线曲率控制技术的叶片气动优化设计技术能够有效减少优化变量的数目,有效地改善压气机叶片设计点与非设计点的气动性能。     

多级轴流压气机三维气动设计的一种快速方法

本文提出了一种适用于多级压气机的快速三维数值气动设计方法,该方法的核心是应用一种快速网格生成技术和NS方程求解器之间不断的相互迭代,最终得到各叶片排的三维叶片造型。首先给定流量,压比和压气机子午通道的几何形状。在初始设计阶段通过计算得到各叶片排沿叶高周向平均的进出口气流角分布,并把其作为计算的目标参数。然后通过网格生成和NS求解之间的迭代,不断调整目标参数,直到计算收敛。应用本方法设计了一台具有三个重复级的实验用轴流低速压气机。     

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.     

多级轴流压气机通流造型一体化设计研究

多级轴流压气机气动设计的核心是S2通流设计和叶片造型设计。为了提高设计效率、降低时间成本,研究开发了多级轴流压气机通流、造型一体化设计方法。通过将S2通流设计反问题与叶片造型耦合联结,一体化设计获取压气机气动流场参数和流道、叶片几何,并直接与全三维数值模拟相衔接,可快速得到基本满足目标需求的初始设计。通过一体化反演设计具有设计数据与试验结果的美国E~3十级高压压气机前六级,其设计点的流量、绝热效率误差范围均在2.5%内,具有较好的工程精度,验证了研发的多级轴流压气机通流造型一体化设计的有效性与实用性。     

单级跨音压气机非定常伴随气动优化

在多排叶轮机械中,动静叶干涉会在流场中产生强烈的非定常效应。公开文献中现有的多排叶轮机械气动优化设计均采用基于混合平面法的定常模型,无法考虑流动的非定常特性。本文采用课题组自行开发的多排叶轮机械非定常伴随气动优化系统,对某单级跨音压气机动叶进行了非定常气动优化设计,优化过程中采用谐波平衡法高效求解非定常流场和非定常伴随场。优化目标为降低压气机级的进出口熵增,同时限制流量和压比不低于原始设计,并控制叶片最大厚度的变化幅度。优化结果表明,本文伴随气动优化系统能够高效地对多排叶轮机械进行非定常气动优化设计。     

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.     

五级轴流压气机气动设计数值研究

针对某中档功率燃气轮机压气机部件气动性能需求,开展了五级轴流低压压气机气动设计技术数值研究。围绕提高效率和扩大喘振裕度两个根本问题,在气动设计的一维设计、S2通流设计、叶片造型等各个环节进行了参数筛选与性能优化,并通过Numeca软件和Denton程序全三维数值模拟性能确认,设计点气动性能满足并超过了指标要求。为了满足低速运行压气机喘振裕度要求,一维经验统计数值预测前面级导叶调节所能带来的喘振裕度拓展区间,并研究了几级联调的调节规律,以指导五级轴流压气机气动性能试验。本文研究提供了满足性能指标要求的全新五级轴流压气机气动设计,获得的扩喘导叶调节规律可供相似多级轴流压气机导叶联调参考。     

基于控制理论和N-S方程的二维叶栅气动优化算法

基于控制理论的气动优化方法的计算量与设计变量无关,可快速精确地完成控制变量的灵敏度分析.本文以出口熵增最小为目标函数,详细推导了二维 N-S 方程伴随系统的偏微分方程组及其相应的边界条件和敏感性导数的表达式.以拟牛顿算法为优化求解器,利用 CFD 方法求解流动变量,采用时间推进方法求解伴随方程,建立了基于黏性伴随方法和 N-S 方程的二维叶栅气动优化设计算法.     

非轴对称端壁与弯叶片联合造型方法及应用

本文采用改进的侧偏余弦函数作为造型基函数,使用Beier样条曲线控制造型参数沿轴向的变化规律,构造了一套叶栅非轴对称端壁造型系统。并在此基础上,进一步加入对三维叶型积叠规律的控制,将弯叶片造型方法和非轴对称端壁造型系统整合成非轴对称端壁与三维叶片积叠联合造型系统。将该造型系统与商业优化软件iSIGHT集成,采用模拟退火算法对某两级透平的第一级静叶进行了气动优化设计,优化目标为气动效率最高。优化后绝热效率增加了约0.43%,流量增加了约2.1%。优化结果表明非轴对称端壁与三维积叠的联合造型方法能够在单一造型方案的基础上进一步提高叶栅的气动效率。     

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。     

透平叶栅三维形状反问题研究

随着CFD技术的发展,基于伴随方法的求解Euler和NS方程的气动优化设计已成为流体力学形状反问题研究中的热门领域.本文应用该方法对透平叶栅进行三维气动优化设计,详细推导了Euler方程伴随系统的偏微分方程组及其各类边界条件,首次给出了透平内流伴随方程边界条件的具体形式,并给出伴随变量的物理意义.结合拟牛顿算法发展了三维透平叶栅形状反问题气动优化算法,并给出了算法的流程.     

平面叶栅优化设计计算

基于文[1]本文以叶栅损失系数ξ作为目标函数,采用两级递阶控制计算模型,寻找在最优控制变量作用下的最优流速分布及最优动量损失厚度θ。结合变分有限元计算方法和最优化方法,对叶型几何参数进行协调寻优。论证了利用大系统理论建立适合平面叶栅气动设计计算优化方法的可行性,旨在为气动设计提供一种新的优化方法。     

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。     

混流泵三元叶片优化设计方法研究

以叶片角的分布为优化变量,叶轮效率为优化目标,将三维粘性流动分析与神经网络相结合对混流泵叶片进行了优化设计。在设计空间内根据实验设计理论安排神经网络的训练样本,选择径向基函数网络建立设计变量和目标函数间复杂的响应关系,利用遗传算法进行优化。针对研究对象设计变量较多、变化范围较大的问题,提出子系统优化的初步思想,即:将优化变量进行分类,对每类变量建立子系统,分别在子系统内进行局部优化,然后再考虑子系统之间的相互影响进行全局优化。对一混流泵的三元扭曲叶片进行优化,叶轮效率明显提高,从而验证了该方法的简便性与有效性。     

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.     

基于伴随方法的叶片冷却通道导热优化研究

本文基于网格节点位置坐标变分技术,针对固体导热问题推导了导热伴随方程及其对应的边界条件,并应用有限体积法求解了导热与伴随方程。给出了固体域表面温度分布反设计问题和固体域平均温度正设计问题对应的目标泛函变分的具体表达式,应用拟牛顿算法构建了优化设计系统。针对空心圆环导热问题,计算了目标函数关于内径的梯度,并将计算结果与有限差分方法和理论值进行对比,验证了导热伴随系统的有效性。最后给出了空心圆柱内壁面形状反设计、空心叶片壁面厚度反设计的计算结果以及叶片型线保持不变,以降低叶片固体域平均温度为目标,对冷却通道隔板位置与厚度进行的优化设计结果。优化结构平均温度与初始结构相比降低了 11.1 K。     

应用控制理论的叶栅气动反设计

基于控制理论的气动设计方法作为一种基于梯度的优化方法,通过引入伴随系统计算目标函数的敏感性导数,大大降低设计成本.本文将基于控制理论的气动设计方法应用到透平叶栅的气动反问题中,应用Euler方程研究了二维叶栅的压力反设计问题,并讨论了该方法具体实施中的关键问题,包括采用非均匀B样条进行二维叶栅造型;应用Thompson时间相关边界条件理论进行伴随方程特征分析;研究伴随方程的数值求解方法,构造伴随方程的耗散通量.通过算例证明了该气动设计方法适用性好,速度快,可以大大节约计算成本.     

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.