【摘要】：精細(xì)設(shè)計能夠進(jìn)一步提升葉片氣動性能和負(fù)荷能力。但三維流場分析結(jié)合優(yōu)化算法尋優(yōu)的葉輪機(jī)氣動形狀設(shè)計方法在設(shè)計參數(shù)多時存在計算量大的問題。隸屬于梯度法的伴隨方法因計算量與設(shè)計參數(shù)數(shù)目基本無關(guān),近年來在葉輪機(jī)氣動形狀設(shè)計領(lǐng)域受到重視。本論文對基于伴隨方法的多級葉輪機(jī)氣動形狀設(shè)計方法進(jìn)行研究,以期縮短設(shè)計周期,并為三維葉片精細(xì)設(shè)計提供技術(shù)支撐。包括五部分內(nèi)容,具體如下： 1.一般敏感性模型 比較了伴隨方法與傳統(tǒng)梯度法計算敏感性原理的異同。結(jié)果表明伴隨方法的計算量相當(dāng)于求解兩倍的流動控制方程,具有較低的計算成本。進(jìn)一步利用伴隨方法經(jīng)過代數(shù)運(yùn)算推導(dǎo)了目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計變量的一般敏感性模型,獲得伴隨方程、伴隨邊界條件、敏感性的一般表達(dá)式。 2.葉輪機(jī)氣動形狀設(shè)計方法 給出了正／反問題目標(biāo)函數(shù)；由罰函數(shù)約束壓比和流量以保持伴隨方法低計算成本優(yōu)勢；選取不存在葉片重構(gòu)問題的Hicks-Henne峰值函數(shù)作為葉片形狀擾動參數(shù)化方法。在不影響附面層預(yù)測合理性的情況下,選用計算量較少的薄層簡化粘性體力、壁面函數(shù)經(jīng)驗關(guān)系式和流動滑移固壁邊界等細(xì)化一般敏感性模型。進(jìn)而推導(dǎo)了封閉伴隨方程求解所需的伴隨排間摻混界面方法,實(shí)現(xiàn)多級葉輪機(jī)敏感性分析。結(jié)合最速下降法尋優(yōu),獲得了基于伴隨方法的多級葉輪機(jī)氣動形狀設(shè)計一體化方法,可用于多級葉輪機(jī)葉片排氣動匹配設(shè)計。 3.葉輪機(jī)氣動形狀設(shè)計軟件 給定三維葉片形狀擾動參數(shù)化方案,采用代數(shù)方法生成簡單H型網(wǎng)格。利用時間推進(jìn)法和有限體積法求解薄層簡化N-S方程和伴隨方程；根據(jù)特征速度傳播方向給定邊界條件；采用局部時間步長、多重網(wǎng)格和二階／四階光順等方法加速數(shù)值求解收斂速度。借助復(fù)變函數(shù)方法,由流場和伴隨場后處理計算敏感性值。結(jié)合最速下降法尋優(yōu),并由形狀擾動參數(shù)化方法更新葉片幾何。最終開發(fā)了多級葉輪機(jī)三維粘性氣動形狀設(shè)計軟件,包含三個子求解器,分別求解薄層簡化N-S方程、伴隨方程和敏感性。 4.模型、方法及軟件驗證 首先,以NASA35號跨音壓氣機(jī)級考核流場求解程序。其次,以渦輪環(huán)形葉柵和1+1/2級軸流壓氣機(jī)兩個算例,選取反問題目標(biāo)函數(shù),分別由伴隨方法和有限差分方法計算敏感性值。最后,再次以渦輪環(huán)形葉柵和1+1/2級軸流壓氣機(jī)兩個算例實(shí)施反問題優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明,流場求解程序能夠捕捉關(guān)鍵流動特征,且主要?dú)鈩有阅軈?shù)與試驗值符合良好；伴隨方法和有限差分法的敏感性值誤差不超過10%,滿足工程精度需求；反問題中優(yōu)化后的葉型與目標(biāo)葉型基本重合,且二者壓力分布一致,由此驗證氣動形狀設(shè)計方法及軟件的有效性。 5.葉輪機(jī)氣動形狀精細(xì)設(shè)計應(yīng)用探索 在給定壓比和流量下,葉輪機(jī)性能追求高氣動效率。以進(jìn)、出口質(zhì)量平均熵增為目標(biāo)函數(shù),以壓比和流量作為約束,初步嘗試葉輪機(jī)三維葉片精細(xì)設(shè)計。算例包括NASA67號風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片、NASA35號跨音壓氣機(jī)級、1+1/2級軸流壓氣機(jī)、5+1/2級跨音壓氣機(jī)、1+1對轉(zhuǎn)渦輪前三排葉片。優(yōu)化后絕熱效率分別提高1.38、1.41、0.91、1.30和0.42個百分點(diǎn),流量和壓比大致在容許范圍內(nèi)。分析性能提升的機(jī)制,跨/超音流動中通過減小峰值馬赫數(shù)、降低激波強(qiáng)度以及削弱流動分離等提高氣動性能；亞音流動中通過改善攻角分布等減小流動損失。 最后,總結(jié)論文工作,并對以伴隨方法為核心的葉輪機(jī)氣動形狀設(shè)計發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TK14;TH45

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本文編號：2282000