模拟退火算法在三维气动优化设计中的应用

首先对所开发的模拟退火算法进行函数验证,然后与实验设计、三维流场求解程序、二次多项式响应面近似模型结合,提出了一套省时的气动优化设计体系。应用该优化方法对跨音压气机动叶以绝热效率最大为目标进行气动优化设计,优化后叶片绝热效率提高约1.58%,并且具有良好的变工况性能。结果表明了所开发优化设计体系省时、高效的特点。     

基于数值优化的跨音速压气机动叶三维设计

实验验证了三维粘性流场求解程序,然后采用基于梯度法的数值优化程序对跨音压气机动叶积叠线进行优化设计,得到了弯掠结合的三维叶片,并对其进行了数值模拟及详细的流场分析.结果表明采用弯掠的三维动叶可以有效的改变叶片排内三维激波结构,降低尾迹损失,显著提高动叶的整体绝热效率,并使动叶具有更加良好的变工况性能.     

跨音风扇转子弯掠结合的数值优化设计

为了研究弯掠结合对风扇气动性能的影响,采用基于雷诺平均N-S方程的全三维流场模拟程序和基于遗传算法的数值优化程序,对跨音风扇转子NASA Rotor67进行了优化设计.首先对所开发的三维N-S方程求解程序进行了实验验证,完善了遗传算法和响应面方法相结合的具有全局寻优能力的优化程序,以总压比最大为设计目标,应用该优化方法对NASA Rotor67进行弯掠两个自由度的气动优化设计.结果表明,弯掠联合的采用可以有效地改善流场内的流动状况,在质量流量和绝热效率严格满足约束条件的情况下,总压比提高了1个百分点;该优化方法是可行的.     

采用NURBS的某级透平叶片全三维气动最优化设计

用NURBS对叶轮机械叶片三维型面和基迭线进行参数化表达,实现了对叶片三维型面和基迭线弯、倾、掠、扭的变形控制.该方法为叶片的自动优化设计提供设计变量.把该方法构建的叶片全三维控制模块集成到基于商业软件iSIGHT的叶片粘性气动优化设计平台中,在该平台上选择优化算法对某级透平叶片进行了全三维气动优化设计实验,优化的目标是使级效率尽可能的高,同时流量不能降低并且动叶叶根前端的温度尽可能低.实验结果表明：优化后的叶型性能有所改善,同时也满足了流量和温度约束条件的要求.图23参5     

跨音轴流压气机气动设计与数值优化

介绍了带有进口导流叶片的三级跨音轴流压气机的气动设计与数值优化过程,气动设计采用准三维体系,包括一维平均流线设计、S2流面通流设计和任意中弧线叶片造型设计,并利用商用软件Numeca进行压气机流场分析.采用遗传算法结合人工神经网络的全局优化方法对第一级跨音动叶在多级环境下进行三维数值优化.结果表明:与优化前相比,优化后跨音级动叶叶尖的激波-边界层干涉损失明显降低,第一级动叶与三级压气机整机近设计点的绝热效率分别提高了0.87%和0.37%,压气机整机的质量流量、总压比、绝热效率和失速裕度均能够满足设计目标.     

多级轴流透平通流三维气动优化研究

燃气轮机单机功率的增大使得透平级负荷不断增加,从而对通流部分的气动造型提出了更高的要求.采用包括弯叶片和非轴对称端壁的三维通流造型系统对某两级高压透平进行了优化设计研究.优化结果表明,使用弯叶片或非轴对称端壁造型,能够改善流道内部压力分布,抑制二次流的发展,提高透平效率,分别使透平整机绝热效率提高0.37％和0.17％;而同时采用二者进行联合优化时,整机绝热效率提高了0.48％.     

跨音轴流压气机动叶的三维弯掠设计研究

对一单级跨音轴流压气机中的动叶分别进行了前掠和正弯设计的参数研究,并根据研究得到的弯、掠动叶气动性能变化规律对动叶进行了前掠和正弯联合的三维设计,同时对动叶中部截面的叶型进行了二维设计以弥补弯掠动叶中部性能的降低.最终设计的跨音级性能显著提高,级最大效率提高3%,失速裕度提高40%,同时压比有所增加.数值计算结果表明,前掠和正弯叶片都可以使叶顶激波位置移向下游,降低激波强度,减轻叶顶激波与边界层和泄漏涡的作用.弯掠动叶控制激波强度和端壁流动的能力更加突出.     

基于遗传算法的叶型优化设计平台及应用

鉴于数值优化在叶轮机械设计中发挥越来越重要的作用,发展了一个基于遗传算法的叶轮机械叶片优化设计平台.利用该平台进行了两个算例的优化分析,某风扇动叶积叠线弯掠的优化和某单级涡轮动叶三维叶片厚度分布的优化,并将优化后的结果与原型进行了比较分析.结果表明:所发展的优化设计平台可用于叶片的三维优化,并能有效提高叶片性能,改善流动状况;单目标优化并不能保证在所有工况下都得到理想的性能;叶片的参数化描述对于优化具有重要的意义.它决定了最终优化结果的质量.     

基于叶片弯掠技术的优化设计

在三维粘性流场的数值计算程序平台上,利用BP神经网络和遗传算法,通过叶片弯掠技术对一轴流风机的转子叶片的周向弯曲角度进行寻优,以使风扇的气动性能进一步提高。通过对比优化前、后的叶轮发现,优化之后的叶片呈现明显的周向前弯曲特征。测试结果显示,其全压和气动效率分别提高了3.56%和1.27%,失速裕度大幅度拓宽36%以上,上、下端部的损失进一步降低。     

压气机分层优化气动设计体系研究

基于压气机分层次气动优化设计思想,结合了优化算法、CFD(计算流体力学)技术与压气机气动设计程序,利用商业软件,建立了压气机气动优化设计平台,将气动优化设计思想融入到了压气机气动设计多个阶段,以实现压气机气动设计使性能最优化的目的.应用商业通用优化平台进行了轴流压气机一维、S2反问题气动优化设计,并采用NUMECA提供的全三维优化设计平台对压气机进行了全三维气动优化设计.计算结果表明:分层气动优化设计是提高压气机气动性能的有效手段,先进的优化算法在气动设计的各阶段都能够比传统设计手段更大限度地实现压气机性能的最优化.     

A Study of 3D Aerodynamic Design for a Transonic Compressor Blading Optimized by the Locations of Aerofoil Maximum Thickness and Maximum Camber

A design procedure for improving the efficiency of a transonic compressor blading was proposed based on a rapid generation method for three-dimensional blade configuration and computational meshes, a three-dimensional Navier-Stokes solver and an optimization approach. The objective of the present paper is to design a transonic compressor blading optimized only by selection of the locations of maximum camber and maximum thickness for the airfoils at different span heights and to study how do these two design parameters affect the blade performance. The blading configuration and the computational meshes can be obtained very rapidly for any given combination of maximum camber and maximum thickness. The computational grid system generated is used for the Navier-Stokes solution to predict adiabatic efficiency, total pressure ratio and flow rate. As a main result of the optimization, adiabatic efficiency was successfully improved.     

舰船大功率轴流压气机气动设计研究

基于建立的舰船大功率多级轴流压气机气动设计体系,开展了舰船用某型大功率燃气轮机压气机设计研究,完成了6级轴流压气机的气动设计。进行了一维反问题设计、一维特性计算分析、S2反问题计算、叶片造型以及三维CFD计算分析。各级载荷分布从前面级到后面级逐渐降低,叶展方向按照等压比分配以避免径向掺混损失过大,S2设计并没有严格遵循传统的设计规律(等环量、等反动度等),而是基于一维设计方案通过不断调整优化获得的。根据CDA的特点,开发了可用于工程应用的叶片造型程序,可实现不同中弧线、不同厚度分布调节,能够实现叶片弯、掠等功能。三维数值模拟结果表明,考虑动叶叶顶具有0. 5 mm间隙的情况下,6级压气机设计点效率达到89. 75%,设计转速下的喘振裕度为22. 5%,同时具有较好的变工况性能。     

Global Search of a Three-dimensional Low Solidity Circular Cascade Diffuser for Centrifugal Blowers by Meta-model Assisted Optimization

A three-dimensional blade of a low solidity circular cascade diffuser in centrifugal blowers is designed by means of a multi-point optimization technique. The optimization aims at improving static pressure coefficient at a design point and at a small flow rate condition. Moreover, a clear definition of secondary flow expressed by positive radial velocity at hub side is taken into consideration in constraints. The number of design parameters for three-dimensional blade reaches to 10 in this study, such as a radial gap, a radial chord length and mean camber angle distribution of the LSD blade with five control points, control point between hub and shroud with two design freedom. Optimization results show clear Pareto front and selected optimum design shows good improvement of pressure rise in diffuser at small flow rate conditions. It is found that three-dimensional blade has advantage to stabilize the secondary flow effect with improving pressure recovery of the low solidity circular cascade diffuser.     

变叶片数和长短叶片对某跨音速向心汽轮机气动性能的影响

利用三维数值模拟的方法对一跨音速向心汽轮机进行了气动设计优化分析,通过改变叶片数和采用长短叶片结构等方法分析其对叶轮内流场的影响,分析了TC-4P叶型的气动特点。结果表明:TC-4P叶型虽然只是普通的渐缩型流道的叶栅,但利用其斜切部的膨胀能力,对超音速工况一样具有良好的性能;叶轮采用长短叶片的方法可以有效地降低余速损失,并改善流动状况。     

三维低雷诺数叶片参数化方法研究

叶片参数化是叶轮机械气动优化过程中十分重要的一个环节,它决定着叶片的气动优化空间。传统叶片是通过叶片几何或特征来实现参数化,很少利用气动参数来实现。为了解决该问题,提出一种基于气动参数的三维叶片参数化方法,该方法通过经验公式将气动参数引入叶片参数化过程,并利用几个重要截面中的两条重要特征曲线（中弧线和厚度分布曲线）实现叶片重构。通过对实际叶片进行参数化可以发现：参数化后叶片与原始叶片之间的几何相对误差最大不超过0.01;两者表面压力系数变化趋势基本一致。因此,该方法不仅能够准确描述三维叶片形状,还将气动参数直接设置为优化控制变量,从而有利于优化效率的提高。     

Efficient meshing of a wind turbine blade using force adaptive mesh sizing functions

This paper describes mesh sizing functions for discretization of a wind turbine blade as a shell structure. Two different functions, one along the blade span and the other chord-wise, are presented. The effect of the magnitude of the aerodynamic force has been considered in a span-wise mesh sizing function to obtain a force-adaptive mesh generator, applicable when the blade needs to be analysed as a part of an aero-structure problem. The direction of the aerodynamic force has been considered in the chord-wise mesh sizing function to improve the mesh efficiency. Results show a large improvement in the rate of convergence when the direction of the external force contributes towards the chord-wise mesh size.     

透平叶片的气动优化设计系统

发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统。该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合：前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法，已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析．并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系；后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台．通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略。数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的。     

某型气冷涡轮级的三维优化设计

1引言随着叶轮机械设计技术的不断进步,对叶片造型理论和设计方法提出了更高要求,叶片设计往往决定着效率、压比、重量等诸多性能参数,涉及到来源于不同准则的许多目标和约束。与叶轮机械设计相关联的优化问题通常涉及到许多约束和大量参数,一般导致目标函数有许多极值点。目前