径流式叶轮的设计方法

一元流方法是径流式叶轮设计的基础.本文论述用一元流方法设计径流式叶轮高次和二次圆柱抛物面叶型的单弯形径向叶片及用于近代涡轮叶轮的二次圆柱抛物面叶型的双弯形径向叶片的设计方法和步骤,讨论压气机叶轮进口扩张角的计算方法及进口扩张角较小的径向偏斜式叶轮的设计方法;提出了用一元流方法.计算弯曲叶片槽道截面积的计算方法及叶轮子午面流道型线的快速逼近作图法.     

三元叶轮子午流道和叶片的优化方法

利用反问题计算间接对叶片进行参数化并结合神经网络技术，建立了一种基于三维黏性流动分析的叶轮优化设计方法．该方法将设计变量分为叶片的设计变量和子午流道的设计变量，并分别作为子系统和中心系统。首先，在子系统内保持子午流道形状不变，利用遗传算法对叶片进行优化．然后，在中心系统内利用试验设计理论安排训练样本，采用神经网络建立叶轮性能与子午流道设计参数之间的响应关系，同时计及叶片形状对叶轮性能的影响，对子午流道及叶片进行优化。该方法设计变量个数较少，通过将设计变量进行分类并分步优化，有效地减少了计算量，对三元叶轮的优化问题具有良好的应用前景。通过对一台混流泵叶轮进行优化，扬程和效率分别提高了7．43％和3．37％，从而验证了该方法的实用性。     

离心压缩机环列叶栅叶片不稳定脉动力的确定

考虑了近叶片相互作用，首次推出了周期非定常来流作用下环列叶栅叶片上不稳定脉动力计算公式．利用此方法可确定在叶轮叶片粘性尾迹作用下扩压器叶片上所受的不稳定脉动力．由计算公式可计算出叶轮结构参数、气流参数、扩压器叶片几何参数、扩压器叶片气流攻角等对扩压器叶片上不稳定脉动力的影响，为设计低噪声离心压缩机、通风机提供理论依据．     

旋转射流钻头的叶轮设计

旋转射流钻头是一种新型高效水力破岩钻头，作为旋流发生器的叶轮，其性能直接影响破岩效果．文中分析了旋转射流钻头的内流场，在此基础上提出叶轮设计目标和要求，证明了对圆柱形叶轮，不存在既无径向流又等旋度的叶轮参数．同时，运用翼型绕流理论，推导出有关叶轮长度、半径、叶片安放角等参数与射流喷嘴直径、扩散角、旋度之间的关系式，分析并确定了叶片工作性能与来流压力的关系式．运用实例说明了这些公式的使用以及叶轮段水头损失的估算方法，可为叶轮的设计提供理论指导．     

基于组合优化策略的离心泵叶轮优化设计

为了缩短水力机械的水力设计周期和提高设计效率,提出了一种水力机械全三维的优化设计体系,实现了叶片参数化设计、网格划分、CFD计算和后处理的过程全自动集成。采用了遗传算法(GA)全局探索、响应面(RSM)近似建模和二次序列规划方法(SQP)局部寻优的二阶组合优化策略,达到了高效优化设计水力机械叶轮的目的。利用该优化设计平台,以离心泵叶轮水力效率最大化为目标函数,以影响叶片形状的多个几何参数为设计变量,对离心泵叶轮进行了优化设计。优化设计后叶轮水力效率由原来的89.8%提高到92.4%。     

采用遗传算法的离心叶轮多目标自动优化设计

针对离心叶轮多目标自动优化设计,首先提出了一种离心叶轮参数化方法,通过对离心叶轮型线数据进行转换,分别建立了圆柱坐标系下叶轮控制参数与归一化长度参数之间的关系,采用非均匀有理B样条进行叶型重构,获得叶片和叶轮子午流道构型.将离心叶轮参数化方法、多目标遗传算法及商业化数值计算软件NUMECA相结合,建立起离心叶轮自动优化设计平台.以总压比和效率为设计目标,在设计工况下,采用该方法对Krain高速离心叶轮进行气动优化设计,获得一系列优化叶轮,并采用数值模拟方法对叶轮内部流动特性及其气动性能进行了比较分析.结果表明,优化叶轮的总体气动性能有不同程度的改善,在叶轮出口截面上流场分布更加均匀,总压比和等熵效率约提高了2.5%和1.0%,同时也验证了所发展的多目标离心叶轮自动优化设计方法的有效性.     

低比转速离心叶轮的POD代理模型优化方法

针对离心泵叶轮水力优化过程中须不断预估叶型控制参数扰动对内流场变化的敏感性、计算量随控制参数的维数呈指数倍增长等不足,提出了基于本征正交分解(POD)代理模型的低比转速离心叶轮优化方法.采用泰勒多项式对离心泵叶片型线进行参数化控制,由控制参数扰动得到叶片型线的初始样本集,由叶片型线参数及叶轮CFD内流场数据构建样本快照集.采用POD方法预测各控制参数扰动下的流场,由此预估目标函数对控制变量的敏感性,并沿梯度矢量方向不断优化更新叶片型线.分析结果表明:POD代理模型能够快速地对流场进行精确的预测,大大减少离心泵优化设计的计算量.     

改进离散型遗传算法在离心泵性能优化中的应用

针对离心泵性能优化中设计参数多且优化周期长的问题,提出了适用于离散变量优化的改进遗传算法．以泵效率为优化目标,选取叶轮6个设计参数,采用拉丁超立方设计方法创建90组设计样本,用响应面模型对泵效率和设计参数进行拟合．通过改进的离散型遗传算法对其进行寻优,得到叶轮最优设计参数组合．结果表明：响应面模型能够准确反映效率和叶轮设计参数之间的关系,设计工况下预测值与数值模拟的偏差为0.82%;优化后泵效率在0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d下的增幅分别为7.05%,5.98%和1.90%,且输入功率显著降低;优化后叶轮和蜗壳内部的流动损失面积明显减小,整体流动损失显著降低．参数敏感性分析表明：叶片出口安放角、叶轮出口直径、叶轮出口宽度和叶片包角对泵性能的影响较大．     

基于CFD紊流计算的离心泵叶型优化设计

在对离心泵内部流场进行全三维数值模拟的基础上,建立了叶片型线优化设计的数学模型.以叶片长度最短为目标函数,叶轮相对半径r=-0.5处无回流为约束条件,讨论了该模型优化计算的方法.在离心泵叶轮的基本外尺寸给定的情况下,运用该数学模型,研究基于高次曲线的离心泵叶型优化设计命题,采用黄金分割法获得了优化叶轮C2.将叶轮C2和C1进行同台试验对比,其中C1也是三次曲线叶型,与传统的单圆弧叶型非常接近,C1与C2相比,仅叶片的包角不同.研究结果表明:叶轮C2的总体性能优于叶轮C1,优化设计数学模型合理.     

径向三元叶轮通用直线元成型法

本文给出了径向流动三元叶轮叶片加工的通用直线元成型法，同时给出与三元叶轮流场计算有关的参量计算公式，并介绍了计算方法，本文法已用于某产品设计，使三元叶轮的成型具有加工方便，可调性强和易保证叶型精度的特点。     

水涡轮机械单位工作参数方程

根据水涡轮机械的工作原理,对几何相似的水涡轮机械,导出了其单位工作参数所必须满足的方程.同时导出了水涡轮机械水力效率参数方程.这些方程反映了水涡轮机械各运行工况下,单位工作参数间的关系以及该工况的水力效率.它们对水涡轮机械的性能预测有一定的作用,也是水涡轮机械优化设计中较重要的参数水力效率.     

基于圆柱面的高负荷叶型设计方法研究

与平面相比,圆柱面能更好地近似涡轮通道内流体流动的路径.因在圆柱面上定义、修改叶型的需要,发展了一种新的三维叶型设计方法.同时探讨了不同于传统二维平面叶栅流场计算方法的三维曲面叶栅流场计算方法.设计与数值模拟结果表明,该方法能快速、高效、可靠地设计出理想的叶型.     

Numerical Calculation of Flowsin Turbomachinery with Threedimensional Viscous Codes

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｔｈｅｐａｓｔ１０ｙｅａｒｓ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆ３Ｄｖｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗｓｉｎｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙｈａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｒａｐｉｄｌｙ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ３Ｄｎｏｎｖｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗｓｈａｓｇａｉｎｅｄａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｓａｋｉｎｄｏｆｆｌｏｗｄｉａｇｎｏｓｉｓａｎｄｃｏｌｌａｔｉｎｇｍｅａｎｓｆｏｒａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｄｅｓｉｇｎ．Ａｂ…     

涡轮叶片MDO实现的进展

航空发动机涡轮叶片系统的设计涉及了空气动力学、热学等等诸多相互关联或耦合的学科,往往需要通过各学科之间反复的协调分析才能设计出性能优良的系统。为突破以往过分依赖经验的设计方法,近年来众多学者对发动机叶片的MDO技术进行了大量的研究和探索。我们借助国际上先进的MDO软件iSIGHT建立了集成不同数值模拟器的MDO平台,并将其成功地应用于涡轮叶片的MDO过程中。     

用时间推进法数值求解叶轮机械跨音叶栅的粘性绕流问题

应用一种高效，可靠的数据方法来模拟叶轮机叶栅内部的实际流动，获取大量真实的流动信息，据此，在工程上可以总结出各种实用的规律，这样，可以为现代叶型设计提供一种快速，可靠，实用的途径，数值试验表明：用文中提出的二阶精度隐式矢量单步差分格式求解叶栅的跨音流场，具有精度高，稳定性好，计算量少，收敛快等优点，在流场的计算中，较好地捕获了激波，与实验比较，结果令人满意。     

谐波平衡法在叶轮机非定常数值模拟中的应用研究

为解决常规叶轮机非定常数值模拟的高耗时问题,本文引入谐波平衡方法并发展了对应的隐式迭代算法,实现了高效的叶轮机非定常数值模拟。在此基础之上,以某对转风扇为研究对象,考察了谐波平衡方法在叶轮机非定常数值模拟中的应用。通过与常规的时域非定常计算结果对比,发现谐波平衡法精确的捕捉到了对转风扇的排间干扰信息,能够很好的刻画出上游尾迹在下游叶片通道中的传播过程,且采用3个谐波数即可满足大多数的工程应用要求。     

透平叶栅C型网格生成技术的研究

研究了利用Ｐｏｉｓｓｏｎ方程偏微分方法生成叶栅Ｃ型网格技术，给出了其具体步骤。结果表明，该方法在控制网格线间距和正交性方面有很强的能力，对于叶栅流场的数值模拟是一种有效的、高质量的网格生成技术。     

热力涡轮机械的数字仿真

本文发展了一种积木式的动态仿真程序，它可以仿真由典型设备作任意组合的热力涡轮机械系统。每一个典型设备是一个易于和其它设备相联结的子系统，有一套节省机时的联结方法。本文中所介绍的程序可用于计算非线性系统的大扰动下的过渡过程。文中把催化裂化装置中的能量回收系统作为上述方法的应用实例。     

气—固两相流离心风机叶型的设计方法

本文着重讨论了离心式气-固两相流风机中叶型的设计方法问题。采用控制载荷法及单相耦合和塑-脆性损失模型,分别对4种载荷的叶型进行了叶片磨损计算和分析。以磨蚀的均匀性、总的体积磨损量和气动性能作为质量评价标准,认为最小扩压度加载叶型比较好:但如果吸取其它载荷之长,组合成适当的综合加载叶型,可以在满足气动性能要求的前提下,使叶片的防磨性为之改善,从而从另一个方面证明控制载荷设计法的优越性。     

基于奇点分布法的涡轮钻具叶型设计

在高速及小直径涡轮钻具的叶型设计中,采用常规方法难得到令人满意的叶型,而采用奇点分布法来设计涡轮钻具叶型是值得尝试的。根据奇点分布法的设计流程,首先计算了涡轮钻具叶栅的叶片数、绕翼型环量、无穷远处均匀来流速度。其次,选取环量密度分布规律,设计了涡轮钻具的叶型骨线,并采用六次多项式对叶型骨线进行光滑。再次,根据翼型库中翼型的表达方式,研究了沿叶型骨线加厚叶型的方法,得到了有厚叶型,并确定了厚度圆与叶片吸力面和压力面型线的切点计算方法,提供了叶片在制造时的必需坐标点。最后,根据工程数据,设计了某型涡轮钻具的叶型,采用CFD软件对其叶型进行了流场仿真。仿真结果表明叶型性能优良,证明了奇点分布法在涡轮钻具叶型设计中的可行性,特别是对设计高速涡轮钻具更是一种行之有效的方法。