基于NUMECA和iSIGHT的叶轮机械三维气动优化设计的研究

论文摘要

叶栅作为叶轮机械热功转换的基本单元,其气动设计理论与设计方法的研究,一直是国内外叶轮机械气动热力学领域关注的重点。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。本论文基于商业软件NUMECA和iSIGHT优化平台开发了一个适用于于叶轮机械的全三维优化设计系统,主要开展了以下几个方面的工作:首先,使用NUMECA软件包中的Autoblade和Autoblade_fitting模块将参考叶片进行参数化。将叶片积叠线用双角度控制曲线进行拟合,选取了五个关键截面,每个截面叶型采用with endline的构造线定义模式来定义,中弧线定义为由四个控制参数构造的4次Bezier曲线,压力面和吸力面都是关于中弧线的B样条曲线。这为后续优化设计工作提供了优化设计变量。其次,研究了NUMECA与iSIGHT的集成问题,将三维流体力学计算软件与优化平台相结合,开发出一个三维气动优化系统。系统包括三大部分:几何模型控制模块、网格自动生成模块、数值计算模块。再次,提出和实现了适用于叶轮机械全三维设计的组合优化方法。该组合优化方法分为4个阶段:对变量使用正交矩阵法进行试验设计(DOE)分析阶段、自适应模拟退火算法(ASA)全局搜索阶段、响应面(RSM)近似建模阶段,以及RSM和序列二次规划法(NLPQL)相结合的局部寻优阶段。通过采用DOE方法,深入研究了设计变量的变化如何影响目标函数和约束,获取设计空间性质,抓住优化问题的主要矛盾,减小了叶片气动优化问题的规模;对于叶轮机械叶片气动优化这种非线性多峰优化问题,单纯采用某种常规的数值优化算法不能够有效得到全局最优解,通过采用ASA法进行全局搜索是得到初始近似全局解的有效途径;通过RSM方法拟合复杂的响应关系,平滑设计空间“噪声”,防止数值优化方法陷入局部极值点,从而获得了良好的鲁棒性和适应性;在局部寻优阶段,采用了全三维流场数值模拟程序对近似模型进行校正,用NLPQL方法对近似模型进行局部寻优,既保证了气动性能分析的精度,又大大减少了实际数值模拟的总计算时间。最后,使用本文所开发的优化系统,以某级动力涡轮叶片为参考叶片,对其进行了三维气动优化设计。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。表明本文的气动优化设计方法,是获得低损失高性能叶片的有效途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 传统设计方法
• 1.2.2 气动优化设计方法
• 1.3 CFD技术在叶轮机械领域的应用及NUMECA软件简介
• 1.3.1 CFD技术在叶轮机械领域的应用
• 1.3.2 NUMECA软件简介
• 1.4 优化设计方法的发展及iSIGHT软件简介
• 1.4.1 优化设计方法简介
• 1.4.2 iSIGHT优化软件简介
• 1.5 本论文主要工作
• 第2章 数值计算方法
• 2.1 控制方程
• 2.2 湍流模型
• 2.3 数值求解方法
• 2.3.1 空间离散
• 2.3.2 时间离散
• 2.3.3 多重网格方法
• 2.3.4 隐式残差光顺
• 2.4 网格生成技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 叶轮机械三维优化系统
• 3.1 叶片参数化造型
• 3.1.1 端壁型线定义
• 3.1.2 流面类型定义
• 3.1.3 积叠及弯掠规律定义
• 3.1.4 二维叶型定义
• 3.2 计算网格生成
• 3.3 数值求解设定
• 3.3.1 边界条件
• 3.3.2 收敛标准
• 3.4 优化平台的集成
• 3.5 本章小结
• 第4章 组合优化策略
• 4.1 正交矩阵试验设计探索解空间
• 4.2 自适应模拟退火算法全局搜索
• 4.3 序列二次规划法局部寻优
• 4.4 响应面模型近似逼近
• 4.5 采用ASA和RSM+NLPQL的组合优化策略
• 4.6 本章小结
• 第5章 优化结果及气动分析
• 5.1 优化问题及优化过程描述
• 5.1.1 原始叶型描述
• 5.1.2 叶型参数化
• 5.1.3 优化系统运行过程
• 5.1.4 组合优化策略的施加
• 5.2 单列静叶栅优化过程及优化结果分析
• 5.2.1 优化过程描述
• 5.2.2 优化结果
• 5.2.3 优化结果气动分析
• 5.3 整级叶栅优化过程及优化结果分析
• 5.3.1 优化过程描述
• 5.3.2 优化结果
• 5.3.3 优化结果气动分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢