一新型立轴风力机直叶片翼型气动特性数值模拟

本文研究的是一新型立轴风力机直叶片,研究了影响其气动性能的一些参数,采用商业软件FLUENT模拟翼型在不同来流攻角下的气动性能,得出了翼型的升力系数、阻力系数和升阻比随来流攻角的变化关系,为该叶片的气动优化设计提供了参考。     

长叶片透平级多学科多目标优化设计

针对长叶片透平级优化问题,结合自适应多目标差分进化算法、基于3次非均匀B样条曲线的曲面造型技术及透平级气动和强度性能分析评价方法,建立了长叶片透平级多学科多目标优化设计系统,其中气动性能评估采用数值求解三维RANS方程完成,长叶片强度分析采用有限元方法完成。长叶片透平级的优化设计目标是比功率最大和最大等效应力最小,设计变量是透平级静叶和动叶型线的三维参数化控制参数。采用所建优化设计系统获得了长叶片透平级的7个多学科优化非受控解(Pareto解)。3个典型的Pareto解与参考叶型进行比较分析显示,优化后Pareto解下的气动和强度性能均优于参考叶型设计方案,从而验证了所建优化设计系统的实用性。     

基于涡量分析方法的轴流风扇结构优化设计

为研究涡量分析方法在轴流式冷却风扇优化设计中的应用,首先建立轴流风扇气动性能参数与周向涡量的直接数学物理关系,发现叶片表面平均周向涡量与风扇静压呈正相关;然后基于一款实例轴流冷却风扇,详细阐述了涡量分析方法步骤,建立了风扇管道数值计算模型,并从涡量角度指出了该款风扇的优化设计思路.结果表明:根据负周向涡量的分布,在风扇叶片表面增加导向筋,可以有效隔断负周向涡量的发展,提高平均周向涡量;利用涡量分析方法,合理设计风扇叶片压力面空气导向筋的形状、轴向高度及其厚度,可有效提高风扇气动性能;优化前后实例风扇测试结果最终验证了涡量分析方法可辅助于轴流冷却风扇的优化设计.     

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。     

基于遗传算法的风力机叶片气动外形抗台风优化设计

为了研究风力机叶片抗台风优化设计方法,分析了常规风力机叶片在设计工况下的风能利用系数及极端风况下的气动载荷沿展向的变化特征。并以此为根据,选取极限载荷指标变化显著的挥舞剪力和风能利用系数作为协调两种工况的综合优化目标,提出风力机叶片气动外形抗台风设计优化模型。基于遗传算法,并沿风力机叶片展向,通过使用不同加权系数策略,对某1.5 MW风力机叶片气动外形进行优化设计。研究结果表明,优化后的叶片在具有较高气动效率的基础上能够获得较好的降载效果。     

基于伴随方法的叶片三维气动外形优化设计

在计算流体动力学的基础上,通过引入离散黏性伴随方法和基于径向基函数的网格变形技术,构建一种高效的叶片气动优化设计系统。利用此优化设计系统对跨音速转子Rotor37的叶片进行优化设计。研究结果表明:在近最大等熵效率工况点下,优化后叶片流道激波强度和流动损失有效降低,转子的总压比提高0.352%,等熵效率提高0.339%,质量流量提高0.362%。与传统的叶片优化设计方法相比,此优化方法能够显示分析叶片外形与目标函数之间的关系,并有效地降低优化设计时间。     

基于网格变形的叶片多目标气动优化设计

压气机叶片的传统优化设计存在设计变量多和优化周期长等不足.为此,文中利用非均匀有理B样条基函数建立了转子流场网格自由变形参数化方法,并结合改进的拉丁超立方试验设计、Kriging响应面模型及NSGA-Ⅱ多目标遗传算法构建了转子叶片的气动优化设计体系.计算结果表明:在98%的堵塞质量流量工况下,优化后的叶片总压比提高了0.33%,等熵效率提高了0.83%;优化后压气机转子形状为前倾型叶片,提升了转子性能,降低了激波损失;与传统优化设计方法相比,文中优化体系的设计变量明显减少,缩短了优化设计周期.     

基于伴随方法的动态非定常气动外形优化设计

为实现动态非定常条件下的气动外形优化设计,基于非定常形式的欧拉方程及伴随方程,建立了一套完整的针对非定常动态问题的气动外形优化设计方法,并采用所建立的方法,对俯仰振荡的NACA0012翼型在跨声速(Ma=0.8)及限制条件下进行了翼型时均减阻外形优化. 对优化设计的结果进行了分析. 研究结果表明:该动态非定常气动外形优化设计方法具有较高的可靠性和实用性.      

低型损叶栅气动设计方法

从改进气动负荷分布和边界层特性着手,研制了一套可供叶栅的优化设计与改型的计算方法与程序,本方法充分考虑到工程设计的要求,在优化过程中避免采用过多的数学手段,而注重气动分析对叶片设计的指导作用,叶片造型计算由正、反问题交替迭代进行,具有良好的可靠性和直观性。实例计算取得了满意的结果。     

风力机叶片预弯设计机理与方法

基于修正的叶素动量理论提出了一种适应于水平轴风力机叶片的静气弹性分析方法;运用该方法对不同稳态风速下的叶片变形曲线进行研究,揭示了叶片预弯设计的机理,并给出了一种预弯型线的设计方法.通过对预弯和非预弯两种叶片在相同风速下的静气弹性变形和气动功率的对比和分析表明,预弯叶片的气动性能受轴向变形、扭转变形和叶片截面形状变化三个方面的影响,叶片弹性扭转变形使叶片实际气动功率偏离设计值.该研究为预弯叶片的设计提供了理论依据和方法.     

水平轴风力机转轮气动性能的数值解法

以有限叶片数的旋涡气动模型为依据，用有限差分法求解描述该模型的积分微分方程，可建立一种确定水平轴风力机转轮气动性能的计算方法．该方法不只用于转轮气动正问题的求解，同时还可作为转轮气动优化设计的依据．本文先着重介绍了Ｈ．Ｅ．茹可夫斯基所提出的转轮旋涡气动模型和他所推导的求解诱导速度的表达式以及求环量分布的积分微分方程．之后，作者将积分方程已有的解法进行了改进，从而得到该方程的数值解，并提出两种求解转轮气动性能的数值解法．最后给出了转轮气动性能的几种算法的比较．     

采用样条曲面非轴对称端壁成型的高压涡轮动叶气动优化

为了提升高负荷涡轮级的气动效率,发展了基于样条曲面的非轴对称端壁造型方法。以该参数化造型方法为基础,结合高效智能优化算法和经过校核的数值仿真方法,建立了涡轮非轴对称端壁设计优化平台,并以某小展弦比高压涡轮级为研究对象,以效率为优化目标,以流量为约束条件,在级环境和发动机工况下开展了非轴对称端壁优化设计。结果表明：优化设计后的涡轮动叶相对于参考设计,涡轮级的总总效率提升0.26%;非轴对称端壁造型改变了动叶下端壁附近的压力分布,动叶吸力面侧压力系数相对于参考设计显著提升,这降低了动叶叶片通道内的横向压力梯度,抑制了通道中的二次流动;非轴对称端壁造型改变了叶片通道中的涡系结构,相对于参考设计,非轴对称端壁造型使得马蹄涡压力面分支在叶片通道内部沿着叶片压力面迁移,在靠近通道出口的位置才汇入通道涡,这削弱了通道涡的强度,进而降低了气动损失,提高了涡轮级效率。     

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。     

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.     

基于Isight的自适应翼型前缘气动优化设计

为了兼顾翼型在各个飞行状态下的气动效率,基于Isight优化设计平台对自适应翼型前缘进行了气动优化设计研究.首先对Hicks-Henne型函数进行了改进,实现了翼型前缘的参数化描述;然后采用拉丁超立方实验设计方法生成样本点,并运用CFD软件进行翼型流场的气动计算,进而利用该样本数据完成对RBF神经网络的训练;最后对神经网络近似模型应用多岛遗传算法进行优化.以NACA 0006翼型为例,采用上述组合优化策略以升阻比为目标函数进行优化设计.仿真结果表明:改进后的Hicks-Henne型函数较好地描述了翼型前缘;组合优化方法显著提高了翼型气动优化效率.     

基于遗传算法的风电机组叶片参数优化设计

针对某2 MW大型风电机组叶片进行气动性能分析,根据给出的叶片基本参数,以风能利用系数最大为优化目标,基于遗传算法对风电机组叶片的参数进行全局最优搜索,并对遗传算法和Wilson设计法的优化结果进行数据分析,得到了风能利用效率更好的叶片外形参数。根据叶片外形参数进行建模,应用ANSYS软件对叶片进行模态分析,研究了叶片前六阶模态下的响应情况,通过数值分析确定了叶片的最佳气动参数,为风电机组叶片的优化设计提供有效的方法。     

叶轮机械气动优化设计中的近似模型方法及其应用

针对在工程中完全采用随机类优化方法寻优时计算量过大的问题，应用统计学的方法发展了计算量小、在一定程度上可以保证设计准确性的近似模型方法．在气动优化设计过程中，用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析，可以加速设计过程，降低设计成本．基于统计学理论提出的近似模型方法有效地平衡了基于计算流体动力学分析的叶轮机械气动优化设计中计算成本和计算精度这一对矛盾，在离心压气机叶片扩压器、叶轮和混流泵叶轮设计等问题中得到了成功应用，展示了广阔的工程应用前景．目前，已经建立了离心压气机部件及水泵叶轮的优化设计系统，并在工程设计中发挥了重要作用．     

可控减速法设计离心风机两元叶片的研究

提出采用可控减速法设计离心风机两元叶片,即通过三维黏性流场计算,采用正交试验设计方法,以确定流道内平均速度的减速规律和叶片型线.在满足原有的气动设计点参数和不改变风机轮盖和轮盘几何尺寸的前提下,对某高效离心风机叶片型线进行了重新设计.整机全工况数值计算表明,优化后的风机效率在绝大部分工况范围内都明显提高,压力在设计和小流量工况时也比原风机高,而且大大避免了原风机的过载导致烧毁电机的问题.设计工况详细的流场分析表明,优化设计风机的叶轮流道内静压分布更加均匀,消除了分离损失,说明该方法是风机叶片优化设计的可靠和快速方法.     

孔型及倾斜角对穿孔叶片气动和噪声特性的影响

针对叶片尾缘穿孔对气动及噪声特性的影响,基于NACA65019叶片,在雷诺数Re=2×10⁵条件下,采用大涡模拟和FW-H方法研究孔型和倾斜角对叶片气动特性、绕流流场和噪声特性的影响规律,并选择降噪效果较好的穿孔模型应用到小型轴流风机上,对穿孔风机进行试验。结果表明：当穿孔倾斜角为30°时,在一定攻角范围内(α≤10°),圆柱型穿孔叶片气动性能最接近原始叶片,并且该穿孔叶片总声压级降低可达9 dB。这是由于穿孔叶片有效抑制了涡量沿叶片表面法向的发展,加速了尾缘涡沿流动方向的能量衰减,且穿孔形成的射流使大尺度的涡破碎形成小尺度的涡,衰减波动力,降低了气动噪声。     

螺旋桨气动/噪声多目标优化设计

针对某大尺寸螺旋桨开展气动/噪声多目标优化设计。基于升力面理论,开展了螺旋桨气动性能计算,通过与试验结果对比,验证了计算方法的准确性;基于Hanson频域远场噪声计算方法,开展了螺旋桨远场噪声评估;以螺旋桨桨叶沿展向分布的弦长、安装角、弯和掠为设计变量,在不改变螺旋桨桨叶数、半径和转速的情况下,以螺旋桨气动性能不降低和远场噪声降噪量最大为优化目标,开展螺旋桨的气动与噪声联合优化设计,优化设计结果与高精度计算结果进行了对比验证。优化结果表明,在不降低螺旋桨气动性能的情况下,优化设计的螺旋桨在1阶离散分量处的远场气动噪声降低5 dB,2阶和3阶离散分量处也有明显的降噪效果。