跨音速透平扭叶片的气动优化设计研究

以并行自适应差分进化算法为核心，耦合曲面造型方法以及计算流体动力学求解技术，发展了一种适用于叶轮机械三维气动优化设计的全局自动气动优化算法．利用该算法，以等熵效率最高为目标，在满足流量约束的条件下对跨音速扭叶片进行了气动优化设计．对优化结果的详细分析表明，最优叶栅的等熵效率比原始叶栅提高了1．1％，气动性能有显著的改善，算法具有良好的优化性能．在跨音速条件下，载荷分布对叶栅的气动性能有着巨大的影响，采用前加载设计可有效地减弱斜激波的强度，减少激波损失，提高流动效率．因此，通过优化叶栅型线来改变叶栅的载荷分布可有效地提高叶栅的气动性能。     

叶栅气动反问题的伴随优化解法及应用

伴随方法是目前流体机械优化设计领域的研究热点,具有计算量与设计变量数目基本无关的优点。鉴于以往相关研究尚未将伴随方法用于有分离流动条件下的叶栅气动反问题设计,建立了一套集叶片几何参数化、网格生成、流场求解、伴随场求解与优化求解于一体的叶栅气动反问题的优化求解方法,从减弱流动分离的角度出发,通过给定更合适的叶片表面压力分布,完成了叶栅反问题求解。研究表明,所得叶片吸力面型线更为平缓,在所研究的2种攻角下的尾缘附近流动分离较优化前得到了有效缓解。该研究有利于发展高效、宽工况叶栅设计技术,并可为复杂流体机械部件的先进设计奠定理论基础。     

车用燃料电池空压机叶轮多工况气动优化设计

针对燃料电池离心空压机工况多变、过高压比导致燃料电池系统寄生功率过大的问题,基于参数化建模、拉丁超立方抽样、径向基函数神经网络和多目标灰狼优化算法,提出了多目标多工况带约束的燃料电池空压机叶轮气动优化设计方法,自主开发数值程序实现了气动优化的完整设计流程。以某两级燃料电池离心空压机叶轮为优化对象,采用拉丁超立方抽样获得叶轮关键设计变量的样本空间,基于自主流场分析程序计算叶轮样本对应的气动性能目标参数,在此基础上运用神经网络程序建立流场分析代理模型,以设计工况效率及非设计工况效率和压比为目标、设计压比为约束,运用多目标灰狼算法程序进行了叶轮气动设计的多工况多目标全局寻优。计算结果表明,拉丁超立方抽样实现了样本点在设计变量空间的均匀分布,运用神经网络建立的代理模型能够准确描述设计变量与性能目标间的映射关系,与流场计算所得性能目标的最大误差均小于1%,寻优计算获得了设计压比约束下的最优效率及相应的叶轮型线,优化后设计和非设计工况点的叶轮流场低速区减小、熵增降低,两级叶轮设计工况点的等熵效率分别提高2.2%和2%,非设计工况点的效率分别提高2.9%和2.2%。     

透平叶栅非轴对称端壁优化设计

为减小透平叶栅二次流损失、提高气动效率,建立了结合透平叶栅非轴对称端壁造型双控制型线参数化方法、全局优化自适应差分进化算法和基于Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程求解技术的叶栅气动性能评价方法于一体的透平叶栅非轴对称端壁优化设计体系,同时验证了全局优化自适应差分进化算法和透平叶栅气动性能评价方法的可靠性和准确性。以透平叶栅总压恢复系数最大化为优化目标,在出口气流角和质量流量的约束及叶栅非轴对称端壁三维参数化控制点共20个设计变量下,完成了透平叶栅非轴对称端壁造型优化设计。研究结果表明,优化后得到的非轴对称端壁造型可有效减少透平叶栅的二次流损失,使叶栅总压恢复系数提高0.25%,证明所提出的设计体系是有效的,可为透平叶栅非轴对称端壁优化提供设计工具。     

离散伴随气动优化设计方法的紊流扩展

将离散伴随气动优化设计方法扩展到紊流环境,编程实现了相应的二维离散伴随场求解器;通过组合参数化技术、网格生成技术、流场求解器、离散伴随场求解器及优化算法,建立了透平叶栅气动优化设计平台。基于该设计平台,在紊流环境下以叶栅进出口熵增为优化目标,对某二维跨声速叶栅型线进行了气动优化设计,通过施加质量流量约束来限制优化过程中叶栅通道内质量流率的波动幅度。优化结果表明:优化后熵增降低了17.7%,验证了所开发的紊流环境离散伴随场求解器的正确性和有效性。     

叶栅叶型正反设计的伴随优化方法

针对基于流场Navier-Stokes方程求解的叶栅叶型正反问题设计优化中,计算量随设计变量数目急剧增加的问题,采用伴随方法建立了集叶片几何参数化、网格生成、流场求解、伴随场求解与优化求解于一体的优化求解方法。针对反问题设计中目标控制参数分布难以给定的问题,通过分析叶栅叶型正问题优化求解结果,给出了反问题优化求解所需的较优目标压力分布。利用自主程序完成了以减弱或消除流动分离、提高叶栅气动性能为目的的叶栅叶型正、反问题自动优化求解,优化后的叶型叶栅总压损失系数分别降低了5.69%、4.50%。研究表明,叶栅叶型吸力面曲率的减小、叶片前加载和中后部逆压梯度的减小,可有效抑制叶片尾缘附近的流动分离。该研究工作对发展高效宽工况叶栅叶型设计技术具有一定的参考价值。     

燃料电池离心压缩机叶轮构型的参数优化及性能分析

为提升离心压缩机气动性能以满足燃料电池系统的需求，以某燃料电池离心压缩机叶轮为研究对象，选取叶轮进口倾角、叶片数、子午流道等型线控制点和叶片安装角分布控制点等关键构型参数作为优化变量，采用数值计算方法对离心压缩机叶轮气动性能进行模拟和优化。结合拉丁超立方抽样与BP神经网络拟合叶轮构型参数与气动性能的映射关系，以叶轮等熵效率最大为优化目标、总压比和功率等参数为约束，运用遗传算法对上述叶轮关键构型参数进行多参数寻优，并对优化前后叶轮的气动性能及其内部流动特性进行了对比分析。结果表明：在设计工况下，优化后叶轮等熵效率提高了3.90%,总压比为1.742,功率为8.53 kW,满足设计要求；叶轮的稳定运行工况范围变宽，并且在整个工况范围内叶轮的等熵效率也均得到提升；从流场分析可以发现，优化后叶轮轮盖侧高熵值区域缩小，叶片压力面及出口截面速度分布更均匀，低速气体团面积在不同流动方向上减小，叶道内流动分离得到抑制，验证了所提离心叶轮多参数优化设计方法的有效性。     

提高叶栅叶片升阻比新措施的实验与数值研究

提高叶轮机械叶片的升阻比,是改进叶轮机械气动性能的重要途径。该文给出了一种提高叶栅叶片的升阻比新措施,即采用加大叶片局部粗糙度来提高叶片的升阻比。实验研究证实这种方法确实有效。用数值计算方法求解了Ｎ－Ｓ方程,用改变局部湍流粘性μτ去模拟贴粗糙片所引起的μτ的变化。结果表明：对这种叶栅叶片表面贴粗糙带的方法能够达到提高２％升阻比的效果。     

平面跨音速叶栅的优化设计

根据最优化理论建立了平面跨音速叶栅优化计算的数学模型，以跨音叶栅气动正问题的求解为基础，以叶栅损失系数ξ为目标函数，并考虑适当的约束条件，应用最优化方法，通过反复搜索，自动给出在一定条件下性能最佳的叶栅。从两种叶栅的优化设计的结果表明：优化后叶栅流场的特性得到了明显地改善，损失下降，将优化计算在叶轮机械设计领域内的应用向前推进了一步。     

高压比离心叶轮气动强度多学科优化与知识挖掘

通过引入数据挖掘技术,耦合RANS方程求解技术、有限元分析方法、自适应多目标差分进化算法和非均匀B样条曲面造型方法,提出了高压比离心叶轮多学科多目标设计优化方法。该方法包括:利用研发的优化平台获取给定设计空间内性能最优的解,涉及优化算法、参数化方法、约束处理和多学科性能评估4个模块,前3个模块通过自主编程完成,最后1个模块通过编写软件接口、利用NUMECA和ANSYS软件生成;利用数据挖掘技术,如总变差分析,对设计空间进行知识挖掘,由此识别出对性能影响显著的变量。以等熵效率最高和叶轮表面最大离心应力最小为目标,开展了典型高压比离心叶轮SRV2-O的优化设计,优化后等熵效率提高了2.00%,最大应力降低了2.08%;通过对优化设计的分析和对设计空间的知识挖掘知,对类似高压比离心叶轮进行设计时,应重点控制扩压段轮盖的设计以减小叶顶泄漏流的影响,通过减小流动通道面积以减小泄漏流的损失。该结果可为类似离心叶轮设计提供借鉴。     

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.     

矿用2K60系列风机安全运行的模态分析试验研究

从分析叶轮机械叶栅尾缘的流场结构出发,提出了叶轮机械尾缘下游流场存在周期性气动激振力的观点,给出了确定气动激振力频率的方法。认为气动激振力是导致动叶片破坏的根源,应用模态分析试验方法,确定出了２ Ｋ６０ 系列风机原动叶片的前６ 阶模态振型,找到了造成动叶片损坏的原因。针对上述原因,提出了解决问题的措施,并在生产现场得到了实际应用。情况表明,理论分析与试验结果相吻合。     

排汽缸全局气动优化及设计知识挖掘方法

为了提高排汽缸的气动性能,探索排汽缸的设计规律,耦合基于子元模型的全局优化算法、三阶贝塞尔曲线的三维排汽缸参数化方法、RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程求解方法与基于总变差分析的数据挖掘技术,提出了健壮高效的排汽缸设计优化与知识挖掘方法。在考虑末级叶片和排汽缸之间相互作用的基础上,选取静压恢复系数最大为目标函数,对低压排汽缸进行了设计优化与知识挖掘。优化得到的排汽缸静压恢复系数从0.165提高到了0.516。采用基于总变差分析的数据挖掘技术并结合排汽缸气动性能分析,阐明了设计变量与目标函数之间的相互影响机制。研究结果表明:扩压器出口宽度、排汽缸外缸宽度、外导流环高度和外导流环出口角度对排汽缸气动性能有显著影响。所建立的排汽缸优化设计方法和知识挖掘技术为高性能排汽缸设计提供了工具。     

基于高维混合模型与遗传算法的离心泵叶片优化

提出了一种基于机器学习的高维混合模型用于离心泵的叶片优化方法.选用一台低比转速离心泵,以离心泵叶轮叶片为研究对象,通过对叶片型线拟合分离多变量参数,利用支持向量机的高维表示方法,结合计算流体动力学软件,经过对训练集的机器学习,构建了离心泵叶片型线优化的代理模型.依据遗传算法求解离心泵多变量代理模型,预测了离心泵效率最高点及在该点时的叶片型线几何参数.运用数值模拟和试验研究的方法验证了预测数据,结果表明:数值模拟性能曲线与试验结果大体相符;在设计工况点,经代理模型优化后的数值模拟效率值较原型泵提高了2.61%,扬程提升了0.82 m,试验效率值较原型泵提高了2.1%,扬程提升了0.75 m.     

涡轮增压器压气机叶栅S_1流面的气动计算及结果分析

本文在文献[1]和文献[3]的基础上对无锡动力机厂提供的11GJ及110J型涡轮增压器离心式压气机叶栅S_1流面的气动特性进行计算。计算结果分析表明:110J型叶栅气动特性优于11GJ型叶栅,与实际试验所得结果——110J型效率(74%)高于11GJ型(72%)相吻合。文章对出气角β_2、分流片环量Γ_I及栅后区长度的选取等提出自己的观点,尤其对难以估计的出气角β_2作了较详细的论述,且经多种涡轮、压气机和风机等叶轮机械的实例计算均行之有效。     

叶型气动设计的杂交型方法计算软件

将建立在气体动力学变分原理基础上的叶栅气动正问题与杂交问题有限元计算程序加以组合，构成一种具有特色的叶片型线气动设计软件，使叶栅的气动计算、叶型的设计修改以及两者的相互校核可以方便进行．采用Visual Basic和Visual Fortran混合语言编写界面操作程序，并与图像显示软件相结合，提高了设计计算过程的直观性与可操作性．     

新型高分辨率格式及其在CFD的应用

 利用小波奇异分析构造了一种新型的高分辨率高效计算格式,借助小波奇异分析所找到的流场中奇异点区域和光滑区域,合理选择高分辨率、高精度WENO格式和高精度中心差分格式进行流场的离散求解;利用该格式对超声速二维前台阶流动问题、跨声速RAE 2822典型翼型的二维外流场、跨声速VKI-LS59涡轮叶栅的二维流场以及NASA Rotor 37跨声速压气机转子和NASA Rotor 67跨声速风扇转子的三维流场进行数值模拟,计算结果表明,采用这种新型格式可以用于内外流复杂流场计算。数值计算还发现,在采用相同网格的情况下,本文格式不仅具有通常WENO格式高分辨率的特点,而且计算效率较WENO格式高出3～5倍。     

多级压气机通流与CFD一体化优化设计方法

针对S2流面求解的通流计算方法与全三维黏性求解的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）方法是叶轮机械气动设计与分析的主要技术手段。该文基于一套自主开发的流线曲率法通流计算程序，建立了适用于多级高负荷轴流压气机的通流与CFD一体化优化设计方法。该方法由通流与CFD一体化气动分析方法和基于改进智能优化算法的设计优化方法构成。研究将其应用于某跨音三级压气机中，对其中的跨音动叶边界层分离流动问题进行合理定位。针对第一级动叶（R₁）与第三级动叶（R₃）开展优化设计，分别获得了三级压气机效率提升0.1%和0.3%的优化设计方案。研究表明，该方法能够实现通流与CFD分析方法优势互补，同时把握气动布局设计与细节流场结构特征，从而高效定位压气机气动性能与流场结构问题及其与叶型设计或气动布局的关联，指导优化设计方向。     

离心叶轮非轴对称轮盘面气动敏感性分析

为了研究非轴对称轮盘面对高压比离心叶轮的效率、压比、堵塞流量及工况范围的影响规律，采用基于人工神经网络的非轴对称轮盘面全工况预测模型，用于预测30个形状控制参数下轮盘面对气动性能的影响。同时，结合Sobol敏感性分析方法，提取对各性能指标影响显著的敏感参数，研究了敏感参数对于叶轮性能的影响规律。结果表明：轮盘面对效率、压比及堵塞流量的控制主要取决于各个参数独立影响的线性叠加，进口附近轮盘面的凹陷有利于提升最高效率并增大堵塞流量；叶轮出口压力侧分流流道附近的凸起有利于最高效率的提升，但会降低叶轮的压比。不同的是，轮盘面对叶轮工况范围的影响主要源于3个及以上参数的高阶交互作用。利用敏感性分析结果，从经验上人为给定控制参数的取值，实现了离心叶轮非轴对称轮盘面快速优化，在设计点压比不变的情况下，使绝热效率提升了0.9%,工况范围提升了2%,说明敏感性分析可以有效缩短优化周期，从而降低优化成本。该研究结果可为今后的离心叶轮气动设计及优化提供方向性指导。     

非设计工况下叶片扩压器与离心叶轮间非定常流动的二维数值模拟

以一实验用离心压气机内叶片扩压器与叶轮间耦合流动为研究对象，采用动静部件统一的计算方法，对叶片扩压器与离心叶轮间二维流场在非设计工况下的非定常流动进行了数值模拟，并与无叶扩压器与离心叶轮间定常流场进行比较．与测量结果比较表明，本文的计算结果具有一定的可信度，并由此说明了非设计工况下，动静部件干涉对流动的影响．