基于水平集方法的二维Stokes多工况流动的拓扑优化

本文采用水平集方法进行了多工况条件下Stokes流动问题的拓扑优化,研究了进出口边界变化对流体拓扑优化结果的影响。在拓扑优化过程中,采用无需样条参数化的重新网格划分方法来实现物理场和水平集类方程交替求解。以最小能量耗散为目标,通过对三工况条件下流动通道的拓扑优化设计,表明多工况条件下的流动拓扑优化比单工况条件下获得的拓扑优化设计结果更为合理。     

基于改进水平集方法的翼型拓扑优化

将改进的水平集方法与灵敏度分析方法相结合,发展了一种研究Navier-Stokes方程拓扑优化的新方法。在拓扑优化过程中,引入无需样条参数化的网格重新划分方法,实现水平集函数演化和流场求解的结合。最后,通过对低雷诺数条件下Navier-Stokes翼型优化问题的研究,表明该方法具有良好的全局性,并能有效节约优化问题的计算工作量。     

离心泵瞬态操作条件下内部流动的数值模拟

为研究离心泵在瞬态操作条件下的内部非定常流动演化过程,分析外部瞬态特性的内流机理,采用滑移网格方法对快速启动过程中的离心泵内部流动进行数值模拟.建立了包含循环管路和泵在内的完整系统模型,分析了叶轮从静止到最高转速的瞬态过程的流动演化,比较了管路阻力特性对瞬态特性的影响,探讨了数值方法对求解三维瞬态流动的适应性.分析结果表明,基于非定常流动分析的瞬态外特性预测结果与实验结果能较好吻合,所采用的计算方法和得到的结果为瞬态操作条件下离心泵内部流动的诊断和优化建立基础.     

叶型优化在非定常流动条件下效果的数值分析

本文对叶型优化在非定常流动条件下的效果进行数值研究。叶型优化基于比较成熟的在定常流动条件下的反问题解法，非定常流动则考虑到动静叶栅之间的相互作用，非定常流动的求解在Ｎ－Ｓ方程的基础上采用分区计算的方法来完成。数值计算的结果表明，定常流动条件下优化得到的叶型在非定常流动条件下同样具有较好的气动性能。     

Ф210mm超薄超轻SiC反射镜多目标集成优化设计

为了提高轻小型碳化硅反射镜的面形精度并减轻其加工成本,针对某空间相机的Φ210mm SiC反射镜进行超轻量化设计.采用背部三点支撑并优化支撑点的位置,通过拓扑优化,得到反射镜背部需保留和可去除材料的分布情况.结合背部开放式、三角形孔的轻量化方案,确定反射镜轻量化结构的初始模型.应用多目标集成优化方法,建立以反射镜重量和X向自重工况面形为目标,Z向自重工况面形值为约束的优化模型,对该反射镜进行了优化设计.优化后反射镜的X向自重工况下RMS值仅为0.18nm,Z向自重工况下RMS值为2.38nm,重量仅为0.568kg,面密度达到16.9kg/m~2,X、Y、Z三向基频都在500Hz以上.本文设计的反射镜结构有良好的力学性能,本文优化设计方法是合理有效性.     

非设计工况下动静叶相互干扰的非定常流动特性

本文对非设计工况下动静叶栅相互干扰的非定常流动特性进行数值研究。非设计工况主要考虑大攻角下的分离 流动,动静叶干扰的非定常流动的数值求解在N—S方程的基础上采用分区计算的方法来完成。数值分析结果揭示了在分 离流动本身的非定常特性与动静叶栅相互干扰的非定常特性的双重影响下的流场情况。     

旋转离心叶轮与叶片扩压器间耦合流动的数值分析

以离心压气机内部动静部件耦合的非定常流场为研究对象，本文提出了动静耦合统一正命题型式，采用κ－ε紊流模型、同步计算动静耦合流场的方法，分别对下同流量工况下离心叶轮与叶片扩压器内部非定常流动进行了数值计算。计算结果与激光多普勒测量结果进行了比较：在设计工况下，离心叶轮与叶片扩压器相互匹配较好，而在非设计工况下，流道内流动趋向恶化。说明计算结果是有一定的可信度；计算结果同时说明，只有采用非定常算法，才有可能较好地描述动静部件耦合的流场。     

侧风条件下短舱流动分离等离子体流动控制研究

利用数值仿真开展了侧风条件下短舱流动分离等离子体流动控制研究,首先研究了不同侧风条件下短舱流动分离特性,揭示了侧风角度以及速度大小对流动分离的影响规律。随着侧风角度的增加,进气唇口处分离区域不断扩大且进气截面的总压损失更加严重;随着侧风速度的变大,分离区域变化并不明显,进气截面总压损失系数降低。进一步将等离子体激励布置于短舱内表面,在典型工况下研究了等离子体激励抑制短舱流动分离的规律,结果表明,在分离起始点的上游同时施加多组激励具有最优的控制效果,平均总压损失降低了21.3%.     

以PV值为优化目标的光学系统支撑结构（英文）

光机系统中支撑结构与光学元件的接触位置、接触面积、接触应力及支撑结构的柔度是光学系统成像质量的重要影响因素,为了降低因垂直方向支撑引起的几何像差,以像差指数PV值为优化目标,对单个透镜接触支撑结构进行了拓扑优化设计。首先建立接触拓扑优化模型,以采用Signorini接触条件建立的刚性支撑单向接触中的线弹性结构为例,验证了接触拓扑优化模型的正确性。用透镜变形函数来描述透镜的像差指数PV值,将其作为拓扑模型的优化目标。采用SIMP方法描述拓扑优化设计变量,采用扩展后的拉格朗日算子求解接触条件。采用MMA优化算法求解拓扑优化模型的最优解。通过拓扑优化设计变量的最优解,定义了满足几何畸变要求的支撑结构的最优拓扑结构。结果表明,该方法可使透镜PV值降低14%,面形RMS值降低13.8%。同时搭建实验平台,对透镜PV值和RMS值进行测试,得到的最佳接触支撑结构的支持试验结果表明,平面反射镜表面PV值分别降低了60.4%和42.9%,面形RMS值分别降低了74.3%和38.9%,优化后的接触支撑结构有效地提高了高精度单透镜支架的精度,具有很大的实际应用潜力。     

不同进口畸变下低速压气机近失速状态非定常特征

本文采用动态测量技术和非定常流动的分析方法,对不同进口畸变条件下低速压气机近失速状态时,动叶顶部非定常流动特征进行了实验分析,从时间尺度和空间尺度,探讨了压缩系统对进口畸变效应的非定常响应机制。结果表明: 有畸变工况下,出现大尺度扰动型的失速先兆。     

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。     

大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法

介绍了一种大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法,该方法是一种理论性强、效率高的新型轻量化优化设计方法。采用变密度法建立连续体结构拓扑优化数学模型,利用OPTISTRUCT优化软件,以主反射镜光轴垂直时在自重作用下的镜面变形与第一阶自然频率作为约束,将主反射镜体积最小作为目标函数进行了连续体拓扑优化。依据优化的拓扑结构形式,结合结构力学及灵敏度分析得到了满足镜面面型、结构刚度及轻量化率要求的最佳主反射镜轻量化结构。     

基于模糊集理论轴流风机多工况优化研究

针对轴流风机需具有较宽的平稳运行工况范围要求,在模糊集理论的基础上讨论一种多工况数值优化方法,以多个工况下的加权平均全压及效率为优化目标函数,采用模糊关系矩阵确定权重因子。运用拉丁超立方实验设计方法结合CFD数值计算生成设计空间样本点,通过多目标优化算法对建立的Kriging近似模型进行寻优。此方法用于一低压轴流风机的三维多工况优化设计结果表明:优化后风机平稳工况范围加大,最大效率提高幅度为3.7%,最大全压相对增加9.6%,取得较好的优化效果。     

跨音速轴流压气机级三维粘性流场全工况数值模拟

采用一种快速求解三维粘性流场的计算方法求解跨音速轴流压气机级内部流场及全工况特性。该方法以LU-SGS-GE隐式格式和MUSCL TVD迎风格式为基础,结合壁面函数方法和简单的混合长度湍流模型,对三维可压缩雷诺平均Navie-Stokes方程进行求解。叶列间参数的传递采用混合平面方法并应用了微机网络并行计算技术。计算得到了NASA 37号低展弦比、跨音速轴流压气机级70％设计转速下的全工况性能曲线,并重点分析了其中一些典型工况下的内部流场。计算与实验结果的对比表明此方法能快速得到三维粘性流场的流动特性且计算精度较高,可用来模拟跨音速轴流压气机级内的全工况三维粘性流动。     

空间相机主反射镜的拓扑优化设计

为满足空间反射镜高面形精度、高轻量化率的要求,在外径700mm圆反射镜的设计过程中引入拓扑优化方法,依据变密度法建立了SIMP模型。在反射镜光轴方向重力工况下,以结构整体柔度为设计约束,最小体积为设计目标进行迭代,优化设计出了RMS值为8．89nm,轻量化率达82％的反射镜模型。在同等质量下,基于传统的三角形轻量化孔结构设计出的反射镜模型RMS值为11．75nm,轻量化率为65％。在径向重力工况下,拓扑优化结构也能满足面形要求。计算结果表明,拓扑优化的轻量化形式在面形和轻量化率上都优于传统形式。     

超临界压力CO2在水平圆管内流动传热数值分析

采用SST k-w低雷诺数湍流模型对加热条件下超临界压力CO2在内径di=22.14 mm,加热长度Lh=2440 mm水平圆管内三维稳态流动与传热特性进行了数值计算.通过超临界CO2在水平圆管内的流动传热实验数据验证了数值模型的可靠性和准确性.首先,研究了超临界压力CO2在水平圆管内的流动传热特点,基于超临界CO2在类临界温度Tpc处发生类液-类气“相变”的假设,揭示了水平圆管顶母线和底母线区域不同的流动传热行为.然后,分析了热流密度qw和质量流速G对水平圆管内超临界压力CO2流动换热的影响,通过获取流体域内的物性分布、速度分布和湍流分布等详细信息,重点解释了不同热流密度qw和质量流速G下顶母线内壁温度Tw,i分布产生差异的传热机理,分析结果确定了类气膜厚度d、类气膜性质、轴向速度u和湍动能k是影响顶母线壁温分布差异的主要因素.研究结果可以为超临界压力CO2换热装置的优化设计和安全运行提供理论指导.     

球形发射换能器多目标优化设计

为了解决球形发射换能器多约束条件下的离散/连续变量混合型非线性多目标优化问题,基于等效电路理论,建立了球形换能器的电学-力学-声学耦合模型,以辐射声源级、输入电功率和质量为优化目标函数,材料属性参数、结构尺寸参数、工作频率范围和输入电压为设计变量,压电陶瓷电退极化极限、结构强度极限、功率容量等物理特性以及设计变量取值等为约束条件,构建了球形换能器多目标优化数学模型;利用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了球形换能器多目标优化设计,获得Pareto前沿解集;并通过实验验证了优化结果的有效性。结果表明,采用多目标优化方法设计和制作的球形发射换能器样机,在满足辐射声源级要求的前提下,工作频率范围内输入功率降低了32.8%,质量减轻了27.4%。研究结果可为严苛条件限制下的发射换能器优化设计提供参考。     

基于(火积)耗散的体点散热问题拓扑优化方法

本文建立了基于(火积)耗散的体点散热问题的拓扑优化方法.通过利用变分原理,拉格朗日乘子法和Frécheh微分法,给出了上述问题的最优性条件,并利用水平集方法给出了计算最优布置的方法.最后与构型理论比较发现,在同等条件下,本文算法的结果能更大地降低体内的平均温度和最高温度.     

轴流风扇叶型多工况点气动优化设计

某型轴流风扇采用经典的NACA65叶型,在设计工况下气动性能良好,但它的许可攻角范围较小,非设计工况性能下降明显。本文将叶型几何参数化方法、叶型气动性能的薄剪切层流动预测方法与梯度寻优算法相结合,建立了能综合权衡多工况点叶型气动性能的自动优化方法。应用结果表明,单攻角优化效果不明显;多攻角优化后在设计点气动性能变化不大,但在非设计工况有明显提升,攻角范围增加了12.8%;多雷诺数优化与多马赫数优化同样能得到较好的优化叶型。     

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.