本文關(guān)鍵詞：基于CFD的透平機(jī)械葉片氣動性能優(yōu)化研究

  更多相關(guān)文章： 葉片 網(wǎng)格變形 多目標(biāo)優(yōu)化 伴隨方法 表面粗糙度

【摘要】：葉片是航空發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)等透平機(jī)械的關(guān)鍵核心部件,對整機(jī)的工作性能起到?jīng)Q定性作用,在國家能源、國防等重要領(lǐng)域扮演著舉足輕重的角色。隨著科技進(jìn)步,高性能透平機(jī)械對葉片的設(shè)計(jì)和加工提出新的挑戰(zhàn),要求更優(yōu)氣動表現(xiàn)的葉片形狀及型面設(shè)計(jì)、更高的葉片加工精度和表面粗糙度等級。針對上述問題,本文著重研究了葉片形狀及型面優(yōu)化設(shè)計(jì)和葉片表面粗糙度對透平機(jī)械氣動性能的影響。本文基于CFD模擬仿真技術(shù),對透平機(jī)械葉片形狀進(jìn)行多目標(biāo)氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。將網(wǎng)格變形技術(shù)引入到葉片形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)了對透平葉片流場網(wǎng)格的自動變形控制,通過更新網(wǎng)格模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置,產(chǎn)生新的葉片形狀,規(guī)避了葉片幾何參數(shù)化和網(wǎng)格重劃分過程,減少設(shè)計(jì)參數(shù),提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。通過對響應(yīng)面法、克里金法、徑向基函數(shù)法三種近似模型及混合多目標(biāo)梯度搜索算法、改進(jìn)的非支配排序遺傳算法兩種多目標(biāo)優(yōu)化算法的分析對比,表明克里金近似模型擬合精度高,魯棒性好,混合多目標(biāo)梯度搜索算法計(jì)算效率高,結(jié)果精確,由此提出由最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)、克里金近似模型和混合多目標(biāo)搜索算法構(gòu)成的組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了基于網(wǎng)格自由變形的葉片多目標(biāo)氣動自動優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺,以等熵效率和總壓比為目標(biāo)函數(shù),網(wǎng)格變形參數(shù)為設(shè)計(jì)變量對航空發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行多目標(biāo)氣動優(yōu)化設(shè)計(jì),并對優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié),驗(yàn)證了葉片多目標(biāo)氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺的有效性,與傳統(tǒng)葉片多目標(biāo)氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)方法相比具有更高的優(yōu)化效率。開展了透平機(jī)械葉片型面的局部精細(xì)化氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。精細(xì)化設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)參數(shù)增多,優(yōu)化計(jì)算量顯著增加,一般的優(yōu)化方法難以滿足其設(shè)計(jì)要求,因此將計(jì)算量與設(shè)計(jì)變量數(shù)目近乎無關(guān)的伴隨方法引入到葉片型面的精細(xì)化設(shè)計(jì)中�；诎殡S方法及流場伴隨方程,推導(dǎo)了目標(biāo)函數(shù)對自由網(wǎng)格變形控制點(diǎn)的梯度;分析比較了最速下降法、共軛梯度法和擬牛頓法三種梯度優(yōu)化算法的優(yōu)劣性,確定采用Armijo-Goldstein線搜索算法的BFGS擬牛頓法為最佳梯度優(yōu)化算法。由此構(gòu)建了基于伴隨方法、網(wǎng)格自由變形方法和梯度優(yōu)化算法的葉片三維氣動精細(xì)化優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺。通過此優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺,以出口熵增為目標(biāo)函數(shù),網(wǎng)格變形參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,有效地實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動機(jī)葉片型面的精細(xì)化氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,此優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺一方面可以通過梯度信息深刻認(rèn)識葉片型面變化對其性能的影響,另一方面計(jì)算量相比多目標(biāo)全局搜索算法大幅降低,極大地提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。此優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺與葉片全局多目標(biāo)氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺形成互為補(bǔ)充的關(guān)系。開展了葉片表面粗糙度對其氣動性能影響的研究。從葉片加工機(jī)理角度出II發(fā),分析了葉片粗糙表面的微觀形態(tài)�；谝延械目諝鈩恿W(xué)模型、表面粗糙度與空氣動力學(xué)的關(guān)系,研究了航空發(fā)動機(jī)葉片表面粗糙度對其氣動性能的影響,并在此基礎(chǔ)上針對性地分析了葉根倒圓、葉頂、下端壁等難拋光區(qū)域的表面粗糙度對葉片氣動性能的影響。結(jié)果表明,葉片表面粗糙度的增加使葉片損失增加,葉片性能降低,葉片吸力面的粗糙度比壓力面的粗糙度對其性能的影響大,難拋光區(qū)域的表面粗糙度增加均使葉片損失增加,其中下端壁對其性能影響最大。當(dāng)葉片表面粗糙度0.1μmaR￡時(shí),其表面是水力光滑的,葉片可獲得最理想的氣動性能;當(dāng)葉片表面粗糙度1.5μmaR時(shí),其表面粗糙度對性能的影響幅度開始變大。本文的研究工作,有助于發(fā)展和完善透平機(jī)械葉片三維氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)體系,對葉片的加工、維護(hù)也具有指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK14

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 唐方明;余佳;李偉偉;季路成;;采用排間界面靜壓約束伴隨方法的多級壓氣機(jī)葉片優(yōu)化[J];航空動力學(xué)報(bào);2015年08期

2 徐兆可;夏健;高宜勝;;基于三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的連續(xù)伴隨優(yōu)化方法[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2015年01期

3 李偉偉;季路成;伊衛(wèi)林;;基于伴隨方法的多級葉輪機(jī)三維葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2014年11期

4 楊小東;劉波;;基于隨機(jī)排序微分進(jìn)化算法的多級軸流壓氣機(jī)優(yōu)化技術(shù)[J];推進(jìn)技術(shù);2014年03期

5 陳頌;白俊強(qiáng);孫智偉;王丹;;基于DFFD技術(shù)的翼型氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];航空學(xué)報(bào);2014年03期

6 李彬;宋立明;李軍;豐鎮(zhèn)平;;長葉片透平級多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2014年01期

7 姚李超;鄒正平;張偉昊;周琨;王雷;;基于粒子群算法的多級低壓渦輪一維氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J];推進(jìn)技術(shù);2013年08期

8 楊洋;歐陽紹修;劉學(xué)強(qiáng);覃寧;;基于伴隨算子的跨聲速機(jī)翼氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2013年03期

9 高宜勝;伍貽兆;夏健;;基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散型伴隨方法的翼型優(yōu)化[J];空氣動力學(xué)學(xué)報(bào);2013年02期

10 邱名;周正貴;;優(yōu)化方法在軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣動設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 毛明明;跨聲速軸流壓氣機(jī)動葉彎和掠的數(shù)值研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

2 楊旭東;基于控制理論的氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2002年

，

本文編號：1167075