任意旋成面叶栅内粘性流场的数值计算

介绍了一种用于任意旋成面叶栅内粘性流场计算程序。以有限体积显式时间推进方法为基础,用粘性体积力方法模拟湍流粘性流动,用局部时间步长和多重网格方法提高计算效率,方程中的自变量选取在控制体顶点。计算了Ｈｏｂｓｏｎ冲动式叶型内部流场,ＮＡＳＡ３７＃低展弦比跨音速压气机转子在两个叶高回转面上流场,Ｓａｎｚ超临界压气机叶栅内部流场。计算结果与实验结果和设计结果进行了比较,从而证明本方法能够快速、准确地模拟叶栅内部的二维流动和转子内部的三维流动。该方法是对全三维粘性流场计算程序的一个补充,具有较强的工程实用意义。     

基于涡面元法的风力机叶片翼型优化设计

 针对风力机翼型反设计问题,通过求解由涡量表达的面元流函数方程,直接得到面元节点速度;通过计算沿流线的伯努利方程获得面元的压力系数,进而求得升力系数和力矩系数。应用所述涡面元法以NACA2412 为初始翼型,以NACA4412 压力系数为目标值,获得满足目标压力系数的新翼型。根据新翼型对一小型风力机进行优化设计。计算表明基于涡面元法的翼型反设计有较高精度,较广适应性。通过凸函数表达翼型几何参数,能满足不同初始翼型的优化设计及风力机叶片的设计要求。     

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。     

涡轮流量计的二元流动理论模型

本文应用二元边界层理论的动量积分关系式导出了作用于涡轮流量计叶片上粘性摩擦阻力矩T_(fb)的理论模型。并给出应用二元叶栅理论所获得的涡轮流量计驱动力矩T_d的表达式。计算表明作用于叶片上的粘性摩擦阻力矩的大小具有与驱动力矩相同的数量级。文章还应用流体力学基本理论给出了涡轮流量计的轮壳阻力矩T_(fh)、阻力矩T_(ft)、轴承阻力矩T_(fj)和轮壳端面阻力矩T_(fe)的计算公式。计算表明,叶顶其中轮壳阻力矩比其他阻力矩(除粘性摩擦阻力矩之外)均大一个数量级以上。文章又通过涡轮流量计的平衡方程式计算出涡轮流量计的仪表常数。结果表明,计算值与实测值甚为吻合。     

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．     

模拟退火算法在透平叶栅多目标优化设计中的应用

将模拟退炎算法与透平叶栅跨音速粘流气动计算相结合,并将其应用于透平叶栅的多目标优化设计。在多目标优化设计中,采用最小偏差法,并以叶栅的损失系数和做功能力为目标函数进行了优化设计。优化结果表明,此方法能够克服传统优化算法及易降入局部极值的缺点,因而得到了比传统算法更优的设计方案。     

基于片条理论和遗传算法的风力机叶片全局优化设计

针对水平轴风力机叶片Wilson优化设计法的不足,以片条理论为基础、全年发电量为目标函数对叶片进行全局优化设计。通过遗传算法对设计约束进行最优化搜索,并根据该方法设计在平均风速为7.5 m/s风场下工作的1.5 MW叶片。为保证功率计算的准确性,通过XFOIL和CFD软件计算翼型0o~360o攻角下气动性能,将其设计结果与Wilson法进行比较。研究结果表明:全局优化设计方法能够满足叶片设计要求,设计的叶片在低于额定风速的低风速区性能良好,在平均风速附近(7~9 m/s)的功率系数达0.44。     

水轮机双列环列叶栅流场的边界元分析法

本文以水轮机导水部件流场为研究对象,提出了水轮机双列环列叶栅流场的边界元分析法。经过在计算机上编制程序计算后验证,采用该方法的计算结果与实验结果比较吻合,并且速度快,精度高。利用该方法可以对水轮机双列环列叶栅流场进行预测与筛选,流场计算结果可作为分析水流流态和评价通流部件设计方案的一个依据。     

后加载和高负荷前加载叶型气动性能的试验研究

采用平面叶栅和环形叶栅吹风试验对后加载和高负荷前加载叶型的气动性能进行了详细的测量和研究.在平面叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的压力系数分布,研究了攻角、相对栅距、安装角和马赫数的变化对叶型能量损失系数的影响规律.在环形叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的近叶顶、中叶高和近叶根处的压力系数分布以及能量损失系数沿叶高的变化规律.对后加载和高负荷前加载叶型的三维成型规律进行了讨论.试验结果表明:高负荷前加载叶型相对于后加载叶型具有更大的负荷特性;高负荷前加载叶型在采用较大的切向弯曲后可以抑制二次流的发展和减少二次流损失;前加载叶型和后加载叶型均具有优良的气动性能.研究结果对于拓宽高性能叶型在汽轮机中的应用提供了理论基础和技术支持.     

汽轮机分流叶栅粘性损失的计算方法及试验

为解决多分流叶栅的粘性损失问题,研究了多分流叶栅叶片表面边界层发展情况,分析了分流叶片对主流叶片上边界层发展和分离的影响以及对整个流场的影响,在此基础上,建立了分流叶栅的损失模型和损失系数计算公式,并计算了３种类型的损失系数。通过对３种叶栅吹风试验表明,所建立的粘性损失模型和失系数计算公式与实际情况相符,提供了多分流叶栅通用的损失模型和损失系数的计算方法及程序,使叶栅设计更接近实际。     

用正投影法讨论斜轴式风力机

本文介绍了一种新型的斜轴式风力机。阐述运用画法几何正投影原理分析其风能接收情况,优化轴线的合理倾角以及在风载荷作用下,叶片和风轮的振动规律。通过图形推导,得到斜轴风轮的气动力学空间数学模型。并与我们研制的斜轴式风力发电机进行对比,得到满意的结果。从而为该种机型的优化设计提供有益的参考。     

Parametric geometry representations for wind turbine blade shapes

Based on the Joukowsky transformation and Theodorsen method,a novel parametric function (shape function) for wind turbine airfoils has been developed.The airfoil design space and shape control equations also have been studied.Results of the analysis of a typical wind turbine airfoil are shown to illustrate the evaluation process and to demonstrate the rate of convergence of the geometric characteristics.The coordinates and aerodynamic performance of approximate airfoils is rapidly close to the baseline airfoil corresponding to increasing orders of polynomial.Comparison of the RFOIL prediction and experimental results for the baseline airfoil generally show good agreement.A universal method for three-dimensional blade integration-“ Shape function/Distribution function” is presented.By changing the parameters of shape function and distribution functions,a three dimensional blade can be designed and then transformed into the physical space in which the actual geometry is defined.Application of this method to a wind turbine blade is presented and the differences of power performance between the represented blade and original one are less than 0.5％.This method is particularly simple and convenient for bodies of streamline forms.     

Large-scale wind turbine blade design and aerodynamic analysis

Incorporating controlled elitism and dynamic distance crowding strategies, a modified NSGA-II algorithm based on a fast and genetic non-dominated sorting algorithm is developed with the aim of obtaining a novel multi-objective optimization design algorithm for wind turbine blades. As an example, a high-performance 1.5 MW wind turbine blade, taking maximum annual energy production and minimum blade mass as the optimization objectives, was designed. A 1/16-scale model of this blade was tested in a 12 m × 16 m wind tunnel and the experimental results validated the high performance. Moreover, both the computational fluid dynamics (CFD) method and a free-vortex method (FVM) were applied to calculating the aerodynamic performance, which was consistent with the experimental data. For completeness, the CFD and FVM were used to analyze the wake structure, and good and consistent results were obtained between them.     

反问题与神经网络相结合的混流泵叶片优化设计

针对三元扭曲叶片优化设计过程中设计变量较多的问题，采用动量矩为设计变量，再通过反问题计算得到叶片来间接对叶片进行参数化；针对评价函数计算量太大的问题，根据试验设计理论安排训练样本，采用神经网络建立设计变量与目标函数间的复杂的响应关系，并且详细研究了反向传播和径向基函数2种网络在对评价函数进行预测过程中的应用，建立了一种新的叶片优化设计方法，与传统的优化方法相比，其设计变量数目较少，以叶轮内的三维粘性流动分析为基础且大大缩短了计算时间，利用此方法对一台混流泵的扬程和效率进行优化，所得叶片性能良好，从而验证了此方法的有效性。     

Numerical Calculation of Flows in Turbomachinery with Three-dimensional Viscous Codes

A fast and accurate three-dimensional (3-D) viscous code for calculating flows in turbomachinery has been established. In this code, H meshes are adopted to build the discrete equations, and the conservation equations are solved on grid nodes at the corners of cuboid elements. In order to accelerate convergence, local time stepping, residual smoothing and multigrid method are also applied, and the viscous effects are approximated by a very simple mixing length model. For verification of the accuracy and applicability of the method, transonic flows through compressor cascades of NASA rotor 37 and flows through a turbine stator of NASA have been calculated. The good agreement between experimental results and design data has demonstrated the reliability and applicability of the present method, which can be used for simulating the complex 3-D viscous flow phenomenon in turbomachinery.     

利用三维接触有限元法的透平叶片枞树型叶根轮缘优化

采用三维接触有限元方法对透平叶片枞树型叶根轮缘结构进行了优化研究.以单个叶片为研究对象,采用零阶一阶算法、智能优化算法及模式搜索算法对叶根轮缘的7个特征尺寸进行了优化分析;结合实际工作状态,建立了3个叶片及轮缘的多变量优化模型,采用模式搜索算法对叶根轮缘结构进行了优化.结果表明:以单个叶片为例,在综合考虑优化精度和优化时间的情况下,模式搜索算法是解决叶根轮缘优化问题的最优方法;利用符合实际的模型可以得到能使叶根轮缘最大等效应力大幅度减小的优化结构,优化前后叶根和轮缘的最大等效应力位置基本不变,最大等效应力分别减小11.96％和21.63％.     

海豚形叶片气动性能高于传统叶片的机理分析

介绍了一种新型的涡轮机短叶片－海豚形叶片,它可代替传统的ＴＣ－１Ａ型短叶片。传统的涡轮机短叶栅虽然叶型损失较小,但端部损失较大。用海豚形叶片可降低这种比较高的端部损失。通过计算表明,海豚形叶栅在改进传统的涡轮机短叶栅的气动性能方面是明显有效的。本文从机理上对此加以分析。     

风力机设计及其空气动力学问题

针风力机设计中的复杂多变量、多目标和多约束优化问题,提出一种基于Pareto理论的风力机多目标设计框架,并以1．5Mw大型风力机叶片设计为例,讨论了风力机多目标一体化设计的基本特点．然后由此引出风力机设计中至关重要的气动计算方法和非定常气动力建模面临的挑战,概述了风力机空气动力学的复杂性,介绍了在风力机空气动力学计算方法和气动建模方面取得的进展和存在的问题．     

新型双工质平面叶栅冷却试验风洞设计

针对重型燃气轮机高温涡轮叶片的双工质冷却技术,设计建造了研究双工质冷却新原理,高效气膜冷却机理及叶片综合冷却特性的叶栅试验平台。该平台由压缩机、蒸汽发生器分别提供空气源和蒸汽源,可以进行叶片双工质冷却情况下的叶片综合冷却特性研究及相关扩展研究。从而揭示叶片内冷却工质的流量压力分配关系,气膜冷却效率以及叶片特定冷却结构下的综合冷却特性,为新型双工质冷却叶片的设计提供试验验证支持。     

发动机涡轮静子优化设计系统开发

以大型有限元分析软件ANSYS为计算分析平台,开发了发动机涡轮静子结构优化设计系统。该系统将传统的经典强度计算理论、工程有限元数值计算方法以及现代优化设计技术相结合,建立了涡轮静子部件的结构优化设计平台。通过CAD参数建模技术与CAE分析技术的结合,实现了几何建模→数值参数化→有限元分析→遗传算法优化的完整的技术路线。以涡轮静子部件内环孔洞形状优化为例,进行了软件的实际应用,计算表明该系统为发动机涡轮静子结构的快速优化提供了一个强有力的高效设计工具。