【摘要】：現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比、高通流和高效率的設(shè)計(jì)需求,使得其壓縮系統(tǒng)不斷朝著高負(fù)荷、級(jí)數(shù)少和寬穩(wěn)定工作范圍的方向發(fā)展。然而,隨著負(fù)荷水平的不斷提升,勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致較高的動(dòng)葉葉尖馬赫數(shù),并在葉片通道內(nèi)造成強(qiáng)逆壓力梯度、大尺度附面層分離等急需解決的技術(shù)瓶頸問題。因此,在深入理解跨音速風(fēng)扇通道內(nèi)部流動(dòng)物理機(jī)制的基礎(chǔ)上,研究并發(fā)展高負(fù)荷風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),探索先進(jìn)的葉片通道流場(chǎng)診斷與分析方法,成為研制高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)壓縮系統(tǒng)的重要技術(shù)手段。本文以某高負(fù)荷跨音速風(fēng)扇為研究對(duì)象,應(yīng)用耦合CFD方法的現(xiàn)代氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),建立了相關(guān)的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái),并開展跨音速風(fēng)扇氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與流場(chǎng)分析研究。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合渦動(dòng)力學(xué)理論揭示影響跨音速風(fēng)扇氣動(dòng)性能拓展的底層動(dòng)力學(xué)模式,為進(jìn)一步提升高負(fù)荷跨音風(fēng)扇整體性能提供通道流場(chǎng)-幾何關(guān)聯(lián)特征規(guī)律。首先,本文通過一維、準(zhǔn)三維和三維設(shè)計(jì)方法,完成了某高負(fù)荷跨音風(fēng)扇的初始?xì)鈩?dòng)設(shè)計(jì),獲得了葉片通道初始幾何結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)參數(shù)信息。研究結(jié)果表明,該初始設(shè)計(jì)氣動(dòng)性能指標(biāo)較同類型風(fēng)扇處于較高水平,并為進(jìn)一步的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。其次,基于初始設(shè)計(jì)方案,建立了相關(guān)的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái),并采用中弧線可控曲率優(yōu)化、端壁型線造型優(yōu)化和葉片進(jìn)出口幾何角控制優(yōu)化等多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法完成了高負(fù)荷跨音風(fēng)扇氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作,探討了不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)葉片通道幾何結(jié)構(gòu)調(diào)整和風(fēng)扇級(jí)氣動(dòng)性能提升的內(nèi)在數(shù)理機(jī)制,分析了葉片通道幾何與氣動(dòng)參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)規(guī)律。最終的研究結(jié)果顯示,優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓比達(dá)到2.504,絕熱效率達(dá)到88.59%,優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)質(zhì)量流量大于26kg/s,并且具備較優(yōu)的動(dòng)靜葉流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明,中弧線可控曲率優(yōu)化方法能夠通過合理調(diào)整葉片幾何參數(shù),控制激波結(jié)構(gòu)、削弱附面層分離和二次流的尺度與強(qiáng)度,從而提高風(fēng)扇級(jí)通流能力,拓展穩(wěn)定工作范圍;端壁型線造型優(yōu)化方法能夠綜合利用高負(fù)荷跨音風(fēng)扇減速擴(kuò)壓特性,有效解決本文氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中因動(dòng)葉壓力面附面層分離而影響風(fēng)扇級(jí)氣動(dòng)性能提升的瓶頸問題;葉片進(jìn)出口幾何角優(yōu)化方法通過合理調(diào)整動(dòng)靜葉進(jìn)出口角度,較好地解決了幾何-流動(dòng)的矢量匹配數(shù)理關(guān)系,改善葉片通道導(dǎo)流和整流特性,從而提升了高負(fù)荷跨音風(fēng)扇級(jí)的整體氣動(dòng)性能。最后,為了進(jìn)一步分析葉片通道內(nèi)數(shù)理參數(shù)與激波、附面層和二次流動(dòng)等的相互關(guān)聯(lián)機(jī)理,并進(jìn)一步考察葉片通道內(nèi)部旋渦結(jié)構(gòu),基于高負(fù)荷跨音風(fēng)扇最終氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,結(jié)合渦動(dòng)力學(xué)理論與分析方法,開展了渦動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)診斷方法研究。研究結(jié)果表明,渦動(dòng)力學(xué)理論存在如螺旋量、邊界渦量流、徑向渦量等大量數(shù)理參量可用于跨音風(fēng)扇乃至所有其它通流形式的葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)分析,這些數(shù)理參量從流動(dòng)的底層動(dòng)力學(xué)參數(shù)輸運(yùn)原理出發(fā),比較深入地多角度地刻畫了流動(dòng)損失產(chǎn)生原理、激波結(jié)構(gòu)及其附近區(qū)域?qū)ε际噶康年P(guān)聯(lián)規(guī)律、附面層分離等關(guān)鍵流場(chǎng)信息,對(duì)于葉輪機(jī)械研究內(nèi)部流動(dòng)的研究與性能拓展具有重要意義。此外,新的渦識(shí)別方法為葉輪機(jī)械葉片通道旋渦結(jié)構(gòu)識(shí)別提供了新的技術(shù)手段,具有重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V231.3
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文應(yīng)度的提高，從而得到具有較高適應(yīng)度的運(yùn)算結(jié)果。適應(yīng)度個(gè)體生存能力的唯一標(biāo)準(zhǔn)，度量個(gè)體適應(yīng)度的函數(shù)稱為適應(yīng)定義通常和實(shí)際求解問題相關(guān)。圖 2-1 給出了簡單遺傳算法解開始階段，遺傳算法會(huì)首先隨機(jī)產(chǎn)生一組初始解，即初始體中，每一個(gè)個(gè)體就是一個(gè)染色體。隨后，染色體通過復(fù)制產(chǎn)生下一代染色體，完成一次迭代計(jì)算。針對(duì)迭代計(jì)算結(jié)果染色體的適應(yīng)度，將適應(yīng)度較高的染色體選擇出來，組成下一步迭代運(yùn)算。反復(fù)該迭代過程，運(yùn)算最終收斂于最好的子問題的最優(yōu)解或較優(yōu)解。

圖 3-1 環(huán)量沿葉高分布 圖 3-2 子午流道在氣動(dòng)設(shè)計(jì)過程中，以 Fortran 語言為基礎(chǔ)編制、修改得到風(fēng)扇/壓氣機(jī)沖角落后角計(jì)算程序，并應(yīng)用于課題研究完成設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)三維沖角落后角修正。為方便數(shù)據(jù)對(duì)比和分析，將 S2流面風(fēng)扇級(jí)動(dòng)靜葉軸向各截面做如圖 3-3 所示示意。其中，將風(fēng)扇級(jí)進(jìn)口截面、出口截面以及動(dòng)葉出口（亦即靜葉進(jìn)口）截面分別標(biāo)記為“Inlet”、“Outlet”和“R-S”。本章數(shù)據(jù)及曲線對(duì)比分析均以此為截面劃分依據(jù)。圖 3-3 S2流面軸向截面劃分示意

圖 3-1 環(huán)量沿葉高分布 圖 3-2 子午流道在氣動(dòng)設(shè)計(jì)過程中，以 Fortran 語言為基礎(chǔ)編制、修改得到風(fēng)扇/壓氣機(jī)沖角落后角計(jì)算程序，并應(yīng)用于課題研究完成設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)三維沖角落后角修正。為方便數(shù)據(jù)對(duì)比和分析，將 S2流面風(fēng)扇級(jí)動(dòng)靜葉軸向各截面做如圖 3-3 所示示意。其中，將風(fēng)扇級(jí)進(jìn)口截面、出口截面以及動(dòng)葉出口（亦即靜葉進(jìn)口）截面分別標(biāo)記為“Inlet”、“Outlet”和“R-S”。本章數(shù)據(jù)及曲線對(duì)比分析均以此為截面劃分依據(jù)。圖 3-3 S2流面軸向截面劃分示意

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本文編號(hào)：2761771