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.     

基于Pareto类遗传算法的平面叶栅多工况优化

将叶型参数化、试验设计方法、神经网络算法与Pareto类遗传算法相结合,发展了一种平面叶栅多目标优化设计方法.在该算法中,为提高优化效率,提出了并行神经网络算法和改进了NSGA-Ⅱ算法.以极小化三个工况点的总压损失系数为目标函数,将该优化方法应用于某平面叶栅多工况优化设计.与初始叶栅相比,优化后叶栅的总压损失系数在三个工况均有一定的减小,说明该优化方法是有效的.     

基于离散伴随方法的透平叶栅反设计

研究构建了基于离散伴随方法的叶轮机械叶栅气动反设计系统,将离散伴随系统从无黏环境扩展到了黏性环境,编程实现了黏性离散伴随求解器;改善了叶栅参数化方式并重新编程实现了叶栅参数化程序,解决了叶栅参数化过程中叶栅尾缘附近区域型线波动的问题。利用该系统对某二维跨声速透平叶栅在给定叶型壁面目标压力分布的情况下,通过构造目标函数将叶栅反设计问题转化为气动优化设计问题,成功进行了气动压力反设计。结果证明本文建立的叶栅反设计系统能够有效进行压力反设计,验证了本文建立的基于离散伴随方法叶轮机械叶栅气动反设计方法的正确性与有效性。     

非轴对称端壁与三维叶片联合成型气动设计优化

耦合自适应差分进化算法,非轴对称端壁与叶片联合成型参数化方法和RANS方程求解技术,提出了非轴对称端壁与叶片联合成型设计优化方法。利用该方法,完成了某小展弦比透平叶栅的气动设计优化,并且详细分析了最优设计叶片三维参数化及非轴对称端壁造型对气动性能的影响,验证了本设计优化方法的正确性和有效性。     

三维跨音速叶栅自动气动优化设计

应用三维叶栅自动设计参数化方法,选择E3约束的条件下进行了自动气动优化设计.优化后,最优叶栅的总压恢复系数比参考叶栅提高了0.8%,流量和出口气流角都在约束范围内.对优化结果的详细气动分析表明,叶栅性能有显著的改善,表明该算法具有良好的优化性能.     

动静叶栅优化改型及其性能分析

本文对动静叶栅分别进行优化改型,并对改型前后叶栅的气动性能进行数值分析。动静叶栅的优化改型基于正反问题相结合的流函数方法,性能分析一方面基于单排叶栅定常粘性流动的数值计算,另一方面基于动静叶栅相互干扰非定常粘性流动的数值计算。算例结果表明,经过优化改型后的动静叶栅的气动性能,无论在定常流动条件下还是在非定常流动条件下,相比改型前均有较大幅度的改善。     

基于本征正交分解的串列叶栅多目标气动优化研究

为提高压气机串列叶栅复杂气动构型优化设计的效率,本文基于本征正交分解(POD)理论,建立了集几何外形参数化、样本空间降维、气动性能求解、降维模型构建和遗传算法寻优于一体的串列叶栅高效优化设计系统,针对叶型型面和叶片相对位置关系参数,开展了多目标优化设计工作。在7°攻角工况下,优化后的串列叶栅的静压升提高了0.53%,总压损失系数下降了9.25%,其他攻角条件下叶栅性能同样也得到了改善。与传统CFD方法相比,极大提高了优化效率,与基于Kriging代理模型相比,本文发展的优化系统由于缩小了设计变量空间,提高了优化的迭代效率,收敛耗时仅为Kriging代理模型的0.0796%。此外,基于POD方法的优化设计系统具有更高的建模精度,使串列叶栅获得了更高的静压升和更低的总压损失系数。优化后的串列叶栅节距系数增大、弯角比减小,减小了掺混损失,抑制了流动分离,改善了全攻角范围内的气动性能。     

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.     

非轴对称端壁与叶片联合成型气动优化实验验证

利用所研发的叶片多学科设计优化平台,完成了某小展弦比透平叶栅非轴对称端壁与叶片联合成型优化设计。利用亚音速风洞,对优化及参考叶栅进行吹风实验,结果表明数值计算与实验吻合较好。数值和实验结果均表明,最优设计相对参考设计气动性能明显提高,从而验证了所研发的非轴对称端壁与叶片联合成型设计优化方法的正确性和有效性。     

高温叶片流热固耦合分析及多目标多学科设计优化

采用共轭换热分析方法,实现了C3X型高温叶片的流热固耦合分析,计算结果与实验数据的比较验证了数值方法的可靠性。结合自适应多目标差分进化算法、多目标概念的约束处理方法和三维叶栅自动参数化造型方法,自主开发了适用于高温叶片的自动多目标多学科优化设计平台。以C3X型叶片为参考叶片,选择总压恢复系数最大和叶片最高温度最低为目标进行优化设计。优化后获得了21个Pareto解。详细气热分析表明优化设计得到的叶片性能明显优于参考叶片,验证了所建立的高温叶片多学科设计平台的有效性。     

透平叶栅非轴对称端壁的设计与优化

采用NURBS曲面造型方法,在轴对称端壁上叠加径向高度变化量构造非轴对称端壁。采用最优拉丁超立方设计的方法,经过两轮实验设计,寻求性能较优的设计方案。结果分析表明:基于最优拉丁超立方的实验设计方法,定向搜寻透平叶栅的非轴对称端壁优化设计方案,是可行的。与圆柱端壁相比,优化后涡轮叶栅通道出口面积平均二次流动能减小5.48%,总压损失系数减小了1.63%,端壁换热状况局部有改善。非轴对称端壁通过改变端壁的静压分布削弱了涡轮叶栅通道中马蹄涡、通道涡的强度。非轴对称端壁使通道内靠近进口段和出口段端壁换热被削弱,尾迹区换热有所增强。     

轴流压气机跨音速双圆弧(DCA)叶型的研究——叶型设计计算

一、前言 跨音速气流在压气机叶栅中的流动,是高度三元性的和非常复杂的,现在虽然具有高速大容量电子计算机的应用条件,但对于解决实际的、三元的、可压缩流的叶栅中流动问题,仍然是困难的。现代轴流压气机高速叶型的设计,例如跨音速双圆弧(DCA)叶型的设计计算,完全可以按照行之有效的半经验方法,即理论与实际相结合的方法,找出这种跨音速叶型在给定工作条件下的各种主要性能参数和几何参数之间的关联,然后引入该叶型叶栅所积累的各种有效数据,从而求得这种叶型叶栅主要性能参数和几何参数之间的最佳组合,便有可能设计出叶栅中较小的总压损失和较高的叶栅效率。     

复杂约束环境下基于控制理论的透平叶栅气动优化

本文应用控制理论,基于网格节点位置坐标直接变分法建立了N-S方程的伴随系统.以叶栅通道内熵增最小为目标函数,并以流量为约束条件,详细推导了具有约束条件的二维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。建立了基于黏性连续伴随方程和N-S方程的二维叶栅气动优化设计系统,并成功地应用于某一跨音速叶栅的优化设计。对计算结果的分析表明,该方法能够适用于透平叶栅气动优化设计。     

离心透平附属通流部件设计分析

离心透平的通流部件主要包括:进气道、静叶栅、动叶栅、无叶扩压器、出气道,本文对除静叶栅、动叶栅之外的附属通流部件的子午面进行设计。进气道子午面设计采用等截面法,保证级前进气均匀、轴向对称;无叶扩压器采用与叶栅等高的平行侧壁形式,最佳出口直径根据整机效率最优的原则得到;出气道子午面采用与叶栅等高的圆弧扩压弯管设计。结果表明,该方法设计附属通流部件简单易行,特别适合工程应用,以某一离心透平为例,数值模拟得到的级效率为88.51%,整机效率为90.34%,轮周功为478.9 kW,性能达到预期。     

基于离散伴随方法的透平叶栅气动优化设计

本文研究并给出了基于离散伴随理论和自动微分技术构建离散伴随系统的方法、伴随系统的求解策略以及基于离散伴随方法的透平叶栅气动优化设计流程,建立了相应的优化设计系统。利用该优化系统在无黏环境下,以叶栅通道进出口的熵增率为目标函数、以叶栅通道内的质量流量为约束,对某二维跨音速透平叶栅进行了气动优化设计。与优化前相比,优化后透平叶栅进出口熵增率减少8.82%,质量流量变化幅度小于0.003%。优化结果表明,本文提出的优化系统能够有效改善透平叶栅的气动优化性能,验证了本文提出的基于离散伴随方法的透平叶栅气动优化设计方法的正确性与有效性。     

基于遗传算法的离心压缩机叶栅多点优化设计

离心压缩机元件的气动设计通常是根据一个给定工况点设计其几何形状。如此设计的元件在该设计工况点一般能保持较好的气动性态,但当实际运行工况改变时,性能往往会恶化。本文将机翼的多点设计思想引入离心压缩机叶栅的优化设计,并应用遗传算法对这类多目标优化问题进行求解,希望由此获得在运行工况间能较好折中的叶栅型线设计。以离心压缩机扩压器叶栅为例,在两个给定设计工况下采用所提出的方法求解其最佳叶片型线。数值结果显示,方法是有效和可行的。     

透平叶栅自动设计程序

“七五”国家攻关课题中要求完成一个透平叶栅自动设计程序,在只输入叶栅进、排气拉瓦尔数λ_i与λ_e,进气角β_i及等熵指数k后,即能自动设计出良好叶栅。本文叙述如何利用中心流线法解析解来完成此任务。在用此法设计叶栅时,要在程序中预先     

吸附式叶栅代替串联叶栅气动可行性探索

本文首先以ONERA串列叶栅为研究对象,利用数值模拟的方法对串列叶栅特性及其内部流动进行了分析,在此基础上,设计了与串列叶栅具有同等性能的单列吸附式叶栅,并在设计工况和非设计工况下对改型后的单列吸附式叶栅特性及其内部流场进行了详细分析.结果表明:在相同来流马赫数、出口条件和扩散因子的情况下,单列吸附式叶栅的性能优于串列叶栅,在高负荷压气机设计中用吸附式单列叶栅代替串列叶栅的做法是可行的.     

基于定涡黏性假设的连续伴随优化方法研究

基于网格节点位置坐标变分并结合通量雅克比矩阵技术,完成了定涡黏性假设下带湍流模型连续伴随系统的建立,极大降低了RANS方程下复杂伴随系统的推导难度,简化了伴随系统表达式,节约了计算资源。同时采用定涡黏性假设耦合SpaIart-Allmaras湍流模型,实现了二维叶栅壁面压力反设计的数值验证,针对变量梯度、优化过程及结果与全湍流系统进行了分析对比;并以通道内熵增为优化目标完成了某亚音速叶栅基于该假设的气动优化及叶栅吹风试验,试验结果验证了优化设计结果的可靠性。     

弱化激波涡轮叶栅研究

激波问题严重影响超/跨音涡轮气动性能、冷却特性和结构完整性,因而,弱化激波设计是高负荷涡轮研究的热点之一。针对这一问题,本文以两个典型超/跨音涡轮叶栅为例,以伴随方法寻优为手段,给定流量和出口气流角约束,在不同工况点下进行优化,并对比研究变工况特性、流动特征和造型参数,探索弱化激波涡轮叶栅设计技术及规律。