非轴对称涡轮排气蜗壳优化设计

为了改善涡轮排气蜗壳的气动性能,通过搭建NUCEMCA和Isight的集成优化平台,探索了一种多变量的优化方法,即对蜗壳参数化后,用优化的拉丁方试验设计获得空间均匀分布的试验样本,通过数值模拟求出各样本点性能参数,建立径向基神经网络代理模型(RBF),再运用自适应模拟退火算法(ASA)和直接搜索法(Hooke-Jeeves)得到最终的优化设计参数组合。结果表明,在不提高涡轮出口静压的前提下,在设计工况,优化后的蜗壳总压损失系数在原始蜗壳的基础上降低了9.82%,静压恢复系数最高提高了12.2%,出口速度分布也更加均匀,表明了优化系统的有效性。     

一种涡轮排气蜗壳的优化设计

为了改善涡轮排气蜗壳的排气效果，选取一种箱式蜗壳为原始计算模型，通过数值模拟研究了该排气蜗壳的气动性能，揭示了蜗壳内部流动损失的主要来源，在不改变其几何尺寸的前提下，提出了一种蜗壳的分流层改型设计，并与两种一般改型方式的效果作比较.数值计算结果表明:在设计工况下，分流层改型设计可使排气蜗壳的总压损失系数最多降低32.12%，静叶恢复系数最多提高48.73%，其效果好于扩压结构弧线改型，但弱于蜗壳壁面轮廓型线改型，在此基础上揭示了分流层设计改善蜗壳气动性能的机理.      

跨声速涡轮平面叶栅实验与激波控制研究

开展了跨声速涡轮平面叶栅吹风实验,采用纹影技术捕捉静叶尾缘的激波现象并测量了流道中总压和静压分布。基于CFX软件,采用与实验相同的边界条件对实验叶栅进行了数值模拟分析,获得了流场分布、激波损失分布、激波/尾迹和边界层干扰分布等。综合实验与数值模拟结果,分析了叶片表面静压分布特点、叶栅出口周向总压分布特点及叶栅能量损失系数与出口马赫数的关系,发现激波损失在气动损失中占有很大比重。为了削弱激波强度以降低激波损失,通过控制叶型,使压力面负荷向尾缘移动,由此使得叶栅总压恢复系数增大0.003 6,能量损失系数降低0.185 8,总体激波损失减弱。     

球面收敛二元矢量喷管气动及红外特性研究:模拟高空状态

针对高空状态下球面收敛二元矢量喷管排气系统,通过数值模拟研究了喷管俯仰偏转角对排气系统气动和红外辐射特性的影响,并与地面状态进行了对比分析.在该研究参数范围内,研究结果表明:在俯仰偏转角为20°范围内,俯仰偏转对排气系统推力系数和总压恢复系数的影响微弱,气动推力矢量角与俯仰偏转角几乎相等,高空状态下,喷管的推力系数和总压恢复系数下降0.5%与1.1%；热喷流峰值红外辐射强度仅为地面状态的12%~24%,排气系统的总体红外辐射强度峰值与地面状态下的比值峰值在0.35~0.45之间；随着下俯仰偏转角的增加,排气系统红外辐射峰值呈现下降的趋势.      

几何尺寸对高超声速进气道气动性能的影响

为了探索模型缩尺比对高超声速进气道气动性能的影响,对不同缩尺比的二元高超声速进气道开展了数值模拟研究,结果表明：随着缩尺比的增大,进气道流量系数、隔离段出口总压恢复系数和马赫数均逐渐增大,而静压比逐渐减小,且来流马赫数越高,上述参数变化幅度越大。由理论与数值模拟分析可知,上述现象主要是由于不同缩尺比下,进气道当地雷诺数不同,导致进气道附面层相对厚度变化,进而影响进气道气动性能。理论分析了进气道总压恢复系数与缩尺比的定量关系,就进气道而言,进气道进口处附面层相对厚度减小1%,隔离段出口总压恢复系数提高约0.7%。     

气冷径向稳定器张角对混合扩压器性能影响

针对一种混合扩压器和气冷径向稳定器一体化新型结构,基于N-S方程建立了流场三维数值计算模型,研究了气冷径向稳定器张角变化对混合扩压器流场、流阻特性和混合特性的影响规律.结果表明:随着气冷径向稳定器张角的增大,混合扩压器的静压恢复系数逐渐减小,混合扩压器的流阻系数和压力损失系数均逐渐增大；在混合扩压器出口截面处,随着气冷径向稳定器张角的增大,总压恢复系数逐渐减小,总压恢复系数的最大值与最小值相差0.0032.热混合效率逐渐增大,热混合效率的整体变化范围为0.7268~0.8857.      

大落差长度比中介机匣气动性能试验及数值模拟

为了考察中介机匣气动性能水平并验证设计方法,对中介机匣进行了气动性能试验,同时采用NUMECA Fine软件进行了相应的数值模拟。为了准确测量流过中介机匣内涵的气流流量,设计了一种流量测量装置并进行了精度校核,结果表明：测量精度的相对偏差小于1.5%。针对高进口马赫数时在进口平直段上两侧的壁面静压比中间区域小,以及某些涵道比未能调节到目标进口马赫数的情况,进行了相应的数值模拟并提出了解决方案。用单点总压管对内、外涵出口进行了扇面测量,得到了内涵的总性能曲线、总压恢复系数径向变化曲线及内、外涵总压恢复系数云图,并与计算结果进行对比,结果表明：内涵总性能曲线及内、外涵总压恢复系数云图的计算结果与试验结果吻合较好,在设计状态下,内、外涵出口测量截面的总压恢复系数分别为0.992 1、0.986,两数值均高于设计指标,中介机匣具有较好的气动性能。     

球面收敛二元喷管出口三角形锯齿对气动和红外特性的影响

通过数值计算研究，分析了喷管出口锯齿修型对涡扇发动机排气系统球面收敛二元喷管气动及红外特性的影响.结果表明:相对于基准喷管，喷口锯齿修型均造成排气系统推力系数和总压恢复系数的下降，且齿底角越大，推力系数的损失越大.比较而言，内缩型锯齿修型方式对排气系统气动性能的影响最小，但导致排气喷流和总体红外辐射强度在±15°探测角附近的较大增强；外伸型锯齿修型对排气系统气动性能的影响最大；30°齿底角的等面型锯齿修型综合性能较优，对推力系数和总压恢复系数的影响微弱，同时在-30°~0°,0°~30°的探测视角内体现出一定的红外辐射抑制作用.      

尾部推进无人机双90°偏折进气道/蜗壳耦合流动特性

针对尾部螺旋桨推进式无人机的流道布局特点,兼顾飞行器总体气动、总体结构、雷达隐身等方面的限制因素,设计了1种具有双90°偏折特征的进气道/蜗壳流道构型,并对其在地面抽吸工况下的气动性能和内部流动特征开展了仿真与试验研究。研究表明：蜗壳出口马赫数在0.4～0.6范围内,总压恢复系数均保持在0.97以上,总压畸变小于1.30%,为此流道构型气动性能良好。然而,在进气道/蜗壳耦合流动作用下,出口截面形成了显著的旋流流动,研究范围内平均旋流强度为9.90°～11.35°,旋流角大于15°的面积占比达到了20.4%～30.6%。分析发现,进气道因流道剧烈弯曲而引起的蜗壳非均匀进气条件,是驱动蜗壳内形成强横向二次流与分离涡,进而导致出口强旋流流动的主要原因。     

某压气机静叶基元叶型优化设计及实验

为了得到更加适合压气机静叶的叶型以降低气动损失,提取了静叶中径处的叶型,通过平面叶栅实验获得了原叶型的损失特性,发现原叶型气动损失较高,需要通过合理匹配设计参数来降低损失。为此,搭建数值优化平台在约束空间内搜寻气动损失更低的叶型,目标函数的构建综合考虑了多个冲角下的总压损失系数以提升叶片的变工况性能。优化结果显示：目标函数值降低了约9%,进一步实验研究发现,在实验涉及的整个马赫数和冲角范围内优化叶型比原叶型具有更低的总压损失系数,设计工况总压损失系数较原型叶型下降了31.3%,提升了叶型在正冲角边界附近的抗失速能力,设计进口马赫数正4°冲角下气流折转角增加1°。通过对实验结果的深入分析,解释了叶型性能提升的机理,对工作在相似环境的叶型设计及多目标优化方向给出了建议。     

燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析

针对燃油离心泵高效、高抗汽蚀优化设计问题,进行了基于损失模型和SQP算法下的多目标优化设计并进行了仿真应用。首先,考虑叶轮、蜗壳等通流部件内的水利损失、容积损失以及机械损失,建立表征离心泵效率的综合损失模型;结合基于必须汽蚀余量计算下的汽蚀表征函数以确定离心泵多目标函数。进而,利用SQP算法构造合理的适应度函数,结合约束条件确定离心泵多目标优化设计的数学模型。其次,对某型燃油离心泵进行基于SQP算法的优化设计并与其他常用优化算法进行对比。可以看到：各优化算法的最优结果几乎相似,但SQP算法对多维非线性方程组优化求解所用的迭代步数相对较少。最后,利用CFD技术进行仿真及外特性预测,以验证基于SQP算法下燃油离心泵多目标优化设计的有效性。结果表明：相比传统方法设计的原型离心泵,基于SQP算法优化的离心泵内流场压力分布相对均匀,流动损失更低,且进口流动有利于抗汽蚀性能;从外特性结果来看,基于SQP算法优化的离心泵高效工作区域相对宽广,必须汽蚀余量相对较低,抗汽蚀性能有所改善。     

基于BP人工神经网络的离心压气机叶轮多目标优化设计方法

利用Concept NREC软件建立离心压气机叶轮设计样本库,借助BP（back propagation）人工神经网络建立样本库中各设计参数与压气机性能之间的关系,接下来以多目标遗传算法寻找Pareto解,从而获得离心压气机叶轮最佳设计参数.将该方法应用于Krain叶轮设计工况,所得叶轮的效率、压比较Krain叶轮原型分别提高1.4%和10.9%.通过对人工神经网络模型可靠性的讨论、多目标优化模型的主成分分析和所设计叶轮性能的CFD验证,证明了所构建的目标函数与所获得的Pareto解集的合理性,说明本方法可以有效应用于在离心压气机设计、选型.      

亚声速无人机S弯进气道的多点多目标优化设计

为提高亚声速无隔道式S弯进气道的整体气动性能,本文以提高总压恢复系数和降低畸变指数为设计目标,结合高精度数值模拟方法与第二代非劣排序遗传算法（NSGA-II）,开展了无隔道式S弯进气道在马赫数0.25和0.7时的多目标优化设计。整个优化流程基于400个样本,最终得到四幅有效Pareto前沿图。从总压畸变Pareto前沿图中选取出优化算例并与原始进气道进行对比,结果表明：优化后的进气道中心线斜率入口段小、出口段大,而横截面面积分布的曲线斜率恰好相反;优化后的进气道低压区缩小、流动分离得到有效的控制;虽然总压恢复系数提高有限,但是总压畸变得到大幅降低,在马赫数为0.25和0.7时,分别降低15.86%和23.61%。优化后的进气道在马赫数0.25~0.7范围内的整体性能得到有效改善。本文把优化设计方法进一步推广应用于3个马赫数下的多点多目标优化设计,并得到了三维Pareto前沿图。     

U型进气管道对某离心压气机性能的影响

采用实验和数值模拟的方法研究了U型管道进气对某离心压气机性能的影响.实验结果显示,相比直管进气,U型管道进气在大流量工况下显著降低了压气机性能,压比、效率的下降量分别可达10%和18%以上.数值分析表明:U型管道进气时,其出口产生静压和总压畸变;压气机下游蜗壳因几何周向不均而存在相应的压力畸变,该畸变沿叶轮槽道向上游传播的过程中与进气畸变发生耦合.这种耦合作用改变了叶轮进口的流场结构,使叶轮槽道流量分布发生变化,叶轮对应畸变区域的熵值增加;同时还改变了叶片表面静压的分布形式,使整个叶轮主叶片的平均载荷增大约8%.      

马赫数3～6宽速域内转进气道优化设计

基于对轴对称基准流场参数化研究选取半径适当小的可变中心体，再对其他设计参数进行灵敏度分析，得到设计参数对基准流场整体性能的影响规律，系数c的影响最为明显，同时各个设计参数之间耦合效应影响也很大。运用样本数据库，构建相应的神经网络近似模型并结合邻域培植多目标遗传算法对轴对称基准流场在马赫数为6时进行三目标优化，优化后的基准流场内收缩比降低了7.7%，总压恢复系数提高了2.3%，并且静压比提高了7.1%。基于此优化结果，进行内转进气道型面设计并对其在马赫数为3～6条件下黏性数值模拟，结果表明:优化后的内转进气道在马赫数为3工作时能够正常起动，在马赫数为4～6工作时，进气道有较高的压缩量，较好的流量捕获能力和总压恢复性能。      

组合压气机性能和气动稳定性计算分析

采用全三维数值计算方法研究了某型组合压气机性能和气动稳定性,通过对比轴流压气机和离心压气机的特性和流场细节,发现两者的特性差别较大:轴流压气机效率较高,总压比较小;工作点位于峰值效率点左侧时随流量的减小,离心压气机总压比和效率略有降低,轴流压气机总压比的增加和效率的降低均非常明显;导致离心压气机效率偏低的主要原因是径向扩压器的总压恢复系数偏小;导致组合压气机失稳的主要原因是轴流第1级转子叶尖和第2-3级静子叶根的泄漏流造成的堵塞。     

离心压气机通流/造型/CFD参数化优化设计集成反问题方法

在自主开发的离心压气机通流/造型反问题设计程序的基础上, 发展了一套离心压气机的通流/造型/CFD于优化设计程序系统下集成的反问题方法, 建立了离心压气机的参数化优化设计平台.采用“试验设计+响应曲面模型+近似优化”的快速优化算法, 对一个10 daN推力级微型涡喷发动机的离心压气机进行了多准则气动优化.结果表明, 这种过程集成的快速优化方法是很有效的.      

脉动背压下涡轮增压离心压气机入口流场试验

为了研究离心压气机在强脉动背压下的入口流场分布,研制了用于非定常流场测量的全自动二维步进装置。使用该装置结合一维热线风速仪测量了不同脉动频率、时均流量下离心压气机入口非定常流场分布。结果表明：背压脉动时,离心压气机入口速度与气流角在周向及径向分布形态均随背压变化呈大幅周期性振荡,且气流角在叶尖处的变化幅度显著高于叶根处。蜗壳上游周向角区内轴向速度显著低于下游,且该周向畸变强度随频率及时均流量增加而增强。径向气流角最大差异出现在约85%叶高处:小流量时最大气流角差异为8°,大流量时为12°。研究探明了脉动背压工况下离心压气机入口流场的非定常演化规律,为针对实际工况的压气机优化设计理论提供了试验基础。