压气机优化平台建立与跨音速压气机气动优化设计

论文摘要

气动优化设计技术是叶轮机械设计中的一个重要的研究方向,风扇/压气机气动优化设计技术,在推动高性能航空轴流压气机的发展上具有重要的作用。随着计算流体力学和现代优化计算方法的飞速发展,叶轮机械的优化设计技术得到了快速发展。但是叶轮机械,尤其是跨音速轴流压气机叶片的气动优化设计仍然是一个具有挑战性的研究领域。本论文应用iSIGHT优化平台进行了轴流压气机一维、准三维气动优化设计,同时基于商业软件NUMECA的叶轮机械全三维优化设计平台Design3D,以已有跨音速轴流压气机转子叶片为参考叶片,对其进行了三维叶片优化设计研究,主要开展了以下几个方面的工作:首先,本文研究了轴流压气机的一维、准三维气动设计计算方法,将压气机计算程序和iSIGHT集成,建立了压气机优化平台。针对压气机设计的特点,采用基于快速非劣解排序和精英策略的多目标遗传算法（NSGA-II）作为压气机设计的优化方法,以总绝热效率最大化为目标函数,将其应用于轴流压气机的一维、准三维的优化设计中。其次,采用Numeca的FINE/Turbo计算软件对原始叶型进行了三维数值模拟。计算结果表明,计算软件Fine/Turbo能很好的预测跨音速轴流压气机的总性能及内部流场结构,保证了计算的可靠性。由此可以看出在此基础上进行优化设计是可行的,并为以后的优化设计工作奠定了基础。通过将六个不同叶展处（叶根、10%叶展、32%叶展、61%叶展、85%叶展和叶尖）的叶型进行径向积叠生成三维叶片来参数化参考叶片。中弧线定义为3次B样条曲线。压力面和吸力面都是关于中弧线的高阶Bezier曲线。这为后续优化设计工作提供了优化设计变量。最后,采用三维N-S方程流场计算、网格自动生成、三维叶片参数化造型与人工神经网络和遗传算法寻优相结合的方法,以总绝热效率最大为目标函数,对参考叶片进行了周向积叠规律和三维叶片型线优化设计。优化设计结果表明,优化叶片的气动性能较参考叶片明显提高,可以达到控制激波的强度和位置的目的,削弱了流动分离,减少了流动损失,使叶轮整体性能都得到了提高。表明本文的气动优化设计方法,是获得低损失高效率性能的叶片的有效途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压气机发展与设计
• 1.2.1 压气机发展概况和趋势
• 1.2.2 压气机技术的发展
• 1.2.3 压气机设计思想的发展
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 压气机设计体系及优化设计
• 2.1 设计体系的发展
• 2.1.1 一维气动设计
• 2.1.2 准三维设计
• 2.1.3 全三维粘性流数值预测设计
• 2.2 压气机优化设计在国内外的研究现状
• 2.3 小结
• 第3章 轴流压气机一维优化设计平台的建立与应用
• 3.1 引言
• 3.1.1 iSIGHT简介
• 3.1.2 遗传算法的基本原理及特点
• 3.1.3 多目标遗传算法的基本概念和主要方法
• 3.1.4 NSGA-II介绍
• 3.2 轴流压气机一维气动优化设计平台的建立
• 3.2.1 简要分析
• 3.2.2 iSIGHT集成
• 3.3 一维多目标优化的模型
• 3.4 单级轴流压气机气动优化设计
• 3.5 四级轴流压气机气动优化设计
• 3.6 小结
• 第4章 轴流压气机准三维气动优化平台的建立
• 4.1 准三维设计分析方法
• 4.1.1 简介
• 4.1.2 流线曲率法解S2 流面问题
• 4.1.3 求解步骤
• 4.2 轴流压气机准三维气动优化平台的建立
• 4.2.1 简述
• 4.2.2 iSIGHT集成
• 4.3 算例（单级风扇）的优化结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 三维跨音速压气机叶栅优化设计及分析
• 5.1 引言
• 5.2 三维叶轮机械叶栅气动优化设计流程
• 5.2.1 叶片参数化造型方法
• 5.2.2 数值优化方法及过程
• 5.3 优化前性能计算
• 5.4 目标函数
• 5.5 优化变量及约束条件
• 5.5.1 积叠规律优化
• 5.5.2 叶型优化
• 5.6 优化结果及分析
• 5.6.1 积叠规律优化
• 5.6.2 叶型优化
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢