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。     

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。     

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.     

基于伴随方法的多级叶轮机三维叶片优化设计

伴随方法单次优化循环计算量与设计变量数目基本无关,多设计变量时计算成本低。本文采用伴随方法发展了多级叶轮机三维黏性气动形状优化方法,包括伴随方程及其边界条件、目标函数与设计变量的敏感性关系。结合基于Hicks-Henne函数的三维叶片参数化方法和最速下降法建立了气动形状优化设计系统。针对1.5级压气机第二排叶片的反设计验证了该优化系统的有效性;以进、出口熵增为目标函数改型设计某1.5级超音压气机,改型后气动性能明显提升。     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

透平叶栅非轴对称端壁的气动最优化设计

本文应用非均匀有理B样条曲面技术实现了透平叶栅非轴对称端壁的参数化几何造型,并且以iSIGHTTM商业软件为优化设计平台,结合NUMECA软件进行数值模拟,构建了非轴对称端壁的气动优化设计系统.应用该系统对某级透平静叶轮毂端壁进行了非轴对称端壁造型的气动最优化设计.结果表明,非轴对称端壁造型将改变端壁附近的压力分布,使透平叶栅气动性能得到改善.     

An adjoint method for shape optimization in unsteady viscous flows

A new method for shape optimization for unsteady viscous flows is presented. It is based on the continuous adjoint approach using a time accurate method and is capable of handling both inverse and direct objective functions. The objective function is minimized or maximized subject to the satisfaction of flow equations. The shape of the body is parametrized via a Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) curve and is updated by using the gradients obtained from solving the flow and adjoint equations. A finite element method based on streamline-upwind Petrov/Galerkin (SUPG) and pressure stabilized Petrov/Galerkin (PSPG) stabilization techniques is used to solve both the flow and adjoint equations. The method has been implemented and tested for the design of airfoils, based on enhancing its time-averaged aerodynamic coefficients. Interesting shapes are obtained, especially when the objective is to produce high performance airfoils. The effect of the extent of the window of time integration of flow and adjoint equations on the design process is studied. It is found that when the window of time integration is insufficient, the gradients are most likely to be erroneous.     

基于梯度响应面模型的优化设计

本文主要研究一种梯度响应面模型及其在气动优化设计中的应用. 目前应用广泛的多项式响应面模型是连续可导的, 采用梯度信息构造完全二阶多项式响应面模型, 所需样本数与设计参数个数呈线性关系. 首先通过改进实验设计方法, 快速生成满足精度要求的样本并确定梯度响应面模型. 随后通过函数实验验证梯度响应面模型的精度, 及该模型在多极值函数最值搜索中的有效性. 最后由伴随方法快速求解气动优化设计目标函数的梯度信息, 并开展基于梯度响应面模型和复合形法的叶片压力反设计和效率优化设计. 结果表明: 基于梯度响应面模型的优化方法在全局最优及提高优化效率两方面均有出色表现, 基于该优化方法的气动优化设计能够显著改善叶片的气动性能. 关键词： 气动优化设计 响应面模型 伴随方法 复合形法     

三维跨音速压气机叶栅多目标气动优化设计

提出了一种多目标差分进化算法(MDE),典型函数试验结果表明该算法具有优秀的多日标寻优能力,满足多目标气动优化设计的要求.耦合并行多目标差分进化算法、三次B样条曲面造型方法和CFD求解技术,提出了新的轴流式叶轮机械叶栅三维多目标气动优化设计方法.选择等熵效率和总压比为目标函数,完成了NASA Rotor37转子叶栅的多目标气动优化设计.优化后叶栅的气动性能明显提高,表明该方法具有良好的优化性能和应用前景.     

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。     

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.     

考虑来流角变化影响的叶栅稳健性优化设计

进、出口边界流动扰动是叶轮机械中一种典型的不确定性因素,对叶片气动性能产生重要影响.开展考虑边界流动扰动影响的叶片稳健性气动优化设计(RADO)研究,对提高叶片的平均气动性能及气动稳健性具有重要意义,首先介绍叶片RADO的基本原理、实现方法及关键问题.之后开展基于自适应非嵌入式多项式混沌模型的某型跨音速涡轮叶栅来流角不...     

基于NURBS的叶片全三维气动优化设计

采用NURBS对叶轮机械叶片的关键截面和基迭线进行参数化表达,该表达方法为基于现代优化算法的叶片粘性气动最优化设计提供设计变量,以实现对叶片截面和叶片基迭线弯、倾、扭、掠变形的控制。该方法编写成的叶片全三维控制模块和网格自动生成程序、CFD程序集成到商业软件iSIGHT中,构成了叶片全三维粘性气动优化设计平台。在该平台上选用ASA成功进行了某透平静叶片的全三维粘性气动最优化设计。实验结果表明通过同时改变叶片截面和叶片基迭线的方法能够有效地抑制叶片的二次流损失,因此该设计平台在叶片气动优化设计中有广阔的应用前景。