非均匀有理B样条曲线及节点插入算法在透平叶片优化设计中的应用

将非均匀有理B样条(NURBS)曲线及节点插入算法应用到透平叶栅的二维参数化造型,可以兼顾造型参数的实际物理意义和型线调节的灵活性;将控制点可调的NURBS曲线应用到三维叶片积叠线造型,能够构造任意形状的弯、扭、掠叶片.在此基础上搭建的透平叶片三维气动优化平台,将参数化造型、网格自动划分、流体计算并行求解集成在一起,应用实验设计和响应面分析方法进行多目标寻优.对某单级实验透平分别进行单排叶片和整级优化后,单排叶片总压损失降低了0.57%;单级绝热效率提高了0.8%.      

基于NURBS曲线的轴流透平叶片气动 数值优化

通过搭建适用于轴流式透平叶片气动数值优化的设计平台,对某NASA透平级动静叶片进行等熵效率、流量相对变化、落压比相对变化的多目标寻优.该平台包括三个核心模块: 叶片的参数化造型、流场气动性能评估、优化策略.采用非均匀有理B样条(NURBS)曲线对叶片进行参数化拟合;针对叶片气动数值优化的多变量、多模态的特征,采用试验设计和遗传算法组合优化策略进行寻优.经过气动优化, 在设计工况点优化叶片性能较原始叶片有明显提高,为轴流式叶片的气动优化提供了可借鉴的措施.      

基于神经网络-遗传算法的液力透平叶片型线优化

提出了一种叶片型线的多工况优化设计方法,该方法包括叶片型线参数化、优化的拉丁超立方试验设计、CFD技术、GA-BP(genetic algorithm-back propagation)神经网络与遗传算法.具体采用三次非均匀B样条曲线参数化叶片型线,优化的拉丁超立方试验设计方法在设计空间内获取训练GA-BP神经网络的样本点,各个样本点性能分析由CFD技术完成,随后开展GA-BP神经网络的学习训练,最后采用GA-BP神经网络和遗传算法相结合的优化技术求解液力透平叶片型线的多工况优化问题.基于上述优化方法对一液力透平进行了叶片型线的优化改进,结果表明,在保证扬程不小于相应初始扬程的约束条件下,优化后的液力透平效率在3个指定工况下分别提高了3.91%,3.59%和3.09%, 证明采用此方法优化叶片型线具有一定的可行性.      

全三维轴流式透平叶栅离散伴随气动优化设计

在前期研究的基础上,将三维轴流式透平叶栅参数化方法发展为基于非均匀有理B样条(NURBS)技术的新型叶栅参数化方法。此方法在对叶栅型线进行NURBS曲线拟合的同时,将叶栅各截面重心及安装角也纳入参数化范围,大大扩展了优化设计空间。基于此,应用离散伴随气动优化设计系统,对Aachen第一级静叶栅在无粘、大负攻角流动条件下,以降低叶栅进出口总压损失为目标进行了全三维气动优化设计。优化后叶栅总压系数提高了1.64%,通道内的流动分离状况得到了有效改善。此外,对优化过程是否添加质量流量约束进行的研究表明,约束条件对优化效果有较大影响,实际应用中应根据需要进行具体的优化设置。     

单级跨声速风扇转子叶片多目标优化设计

以单级跨声速风扇为研究对象,采用叶片参数化造型、人工神经网络构建近似函数及遗传算法寻优相结合的方法,在级环境下对转子叶片进行周向积叠的多目标三维气动优化设计。结果表明,该单级风扇在保持质量流量和总压比基本不变的前提下,优化后设计点绝热效率提高了0.88%,优化后所获得的根部反弯、顶部正弯叶片,可有效改善叶根和叶片中上部的流动损失。     

燃气透平叶型气动与传热的优化设计

建立了一个透平叶型气动与传热优化的两步模型.第1步采用解析多项式曲线构造叶片的参数化造型，基于CFD数值模拟，通过正交设计和敏感性分析，优选几何设计参数.第2步采用贝塞尔(Bezier)曲线参数化叶型型线，以总压损失和表面热流加权函数为优化目标，调整叶型型线，获得了气动性能与热负荷较优的叶型.设计案例的结果表明:增加安装角可以降低叶片压力面热负荷；增大叶片前缘直径可以降低前缘滞止点热负荷.调整叶型的表面曲率分布，有可能推迟吸力面的转捩，弱化叶片表面的传热.两步优化法计算量小，收敛性好，具有工程应用价值.      

透平级通流部分全设计变量多目标优化设计

采用优化设计方法优化某轴流透平级通流部分造型,利用基于非均匀有理B样条(NURBS)曲线技术的参数化造型方法提取包括叶片和端壁造型的全设计变量,选取级效率最大化和动叶根部最高温度最小化进行多目标优化设计.引入基于并行子空间的组合优化策略,缩短了优化设计周期.优化设计后的透平级效率提高了0.664%,动叶根部最高温度下降达透平级内温度变化范围的1.5%.该工作表明该优化设计方法在透平级设计上具有重大应用价值.      

自动优化技术在涡轮设计中的应用

为了提升计算机辅助的自动优化设计技术在航空发动机涡轮设计中应用的有效性,基于计算机辅助设计技术、CFD仿 真技术和智能优化算法,构建了集2维叶型设计优化和3维优化于一体的轴流涡轮设计优化体系。采用结合几何参数法和非均匀 B样条曲线发展了鲁棒性强、适应范围广的基元叶型参数化造型方法;结合自动结构化网格剖分、高精度CFD求解程序和智能优 化算法,开发了针对工程的高效涡轮2维叶型设计优化软件;以基元叶型为基础,发展了包括涡轮叶片3维积叠、扭转及子午流道 型线调整的涡轮3维参数化方法;耦合商业CFD软件和智能优化算法,开发了级环境下涡轮3维优化设计软件。利用3维优化设 计软件开展了某单级跨声速高压涡轮和高低压涡轮过渡段优化设计,使单级高压涡轮效率提高0.62个百分点、过渡段分离流动区 域大幅度减小。结果表明：涡轮自动优化技术能够满足工程应用需求,显著地提升了涡轮气动设计水平。     

高负荷风扇级环境下叶片反问题设计

在对国内外各类叶片三维反问题深入分析的基础上,针对高效、高负荷风扇的设计需求,提出了级环境下风扇叶片三维反问题设计的技术思路。以高压比单级风扇为例,利用数值模拟、流动分析等技术手段,采用从基元截面、单排到单级环境逐步深入的方式,对级环境下三维反问题设计方法的可行性进行了验证,初步探索了级环境下叶片载荷分布规律,进一步发展并完善了高效、高负荷风扇叶片的三维反问题设计技术。     

基于渗透边界条件的三维粘性叶轮机械气动设计反方法应用研究

详细介绍了三维反方法的数值求解过程。叶轮机械复杂的流场给三维反方法的数值应用和鲁棒性提出了严峻的考验,在三维渗透边界条件和中弧面生成方程的求解过程中需要进行特殊处理。为了能够考虑叶片表面的小分离,同时引入间隙的影响,并保证生成叶片的可加工性,采用非均匀有理B样条(NURBS)曲线对中弧面径向线进行参数化,并在最小二乘意义上满足流动与叶片表面相切条件。为了降低叶片前后缘小圆和端壁附面层对计算带来的不利影响,在该区域采用混合边界条件。同时文中还研究了混合边界条件中的外插问题,并发展了一种载荷参数化方法。最后利用三维反方法设计工具对NASA Rotor67转子进行改型,通过控制激波强度和轴向加载方式,对于改型工作点,在流量和压比没有降低的情况下,效率约提升了1%。     

基于人群搜索算法的Dykas汽轮机叶栅型线重构

针对汽轮机叶片智能优化设计中的叶片参数化建模与型线重构问题,首先基于三次Bezier曲线推导了叶片型线的坐标方程,根据叶片基本几何参数实现了汽轮机叶片型线的参数化表达。在构建的参数化模型的基础上,根据已知的叶型坐标点数据,采用人群搜索算法(SOA)重构实际汽轮机叶片型线,并通过叶型重构算例对SOA和粒子群算法(PSO)进行了对比分析。结果表明：基于Bezier曲线构建的参数化型线光滑性好质量高,所提方法可以任意修改叶型几何参数并再生模型,实用性较强且效率较高。基于SOA优化算法的叶片型线重构方法可以准确重构Dykas汽轮机叶片型线,且SOA重构叶型的方法收敛速度快、收敛结果更稳定,为汽轮机叶片优化设计奠定基础。     

涡轮冷却叶片参数化建模及多学科设计优化

建立了一个涉及结构、气动、传热、振动、强度和寿命等学科的涡轮冷却叶片多学科设计优化系统, 进行了单孔薄壁冷却叶片的多学科设计优化.提出了单孔薄壁冷却叶片的参数化造型方法, 叶片叶型采用5次多项式构造, 气动与传热为三维耦合分析;叶片体积平均温度与最高温度为优化目标, 强度、振动和寿命等学科相关参数为约束, 模拟退火与序列二次规划组合算法进行叶片参数空间寻优, 在保持冷却气体流量不变的条件下, 优化提高了冷却效果, 降低了叶片材料的性能要求.      

涡轮多学科优化中的气动设计技术探讨

通过对涡轮多学科优化的分析,讨论了多学科优化中的气动设计技术.提出了基于叶栅特征参数和贝塞尔函数的二维叶栅参数化造型方法,并结合积叠轴的掠、弯形成三维复杂几何叶片成型技术.通过对气动优化过程中的数学模型分析,给出了一般要求的约束条件,并根据不同阶段的气动设计和约束条件提出了分阶段嵌套优化方法.针对三维气动计算,对商用软件CFX进行了二次开发,实现了三维计算的自动分网、建模、求解和后处理.最后,结合具体算例完成的优化设计结果表明,其涡轮效率提高了约2.3%,工作叶片数减少13.21%,叶片叶身总质量下降8.96%.      

基于解析及特征造型的涡轮冷却叶片参数化设计

基于数学解析与特征造型技术相结合的方法,建立了基于构造过程的复杂涡轮冷却叶片的参数化设计技术。用五次多项式描述叶身型线,根据壁面厚度函数求解冷却通道外形,定义冷却通道隔板位置及厚度等参数,计算得到叶身及冷却通道各截面造型数据;以特征造型方法完成对涡轮冷却叶片转弯流道、缘板、榫头及叶片相关特征的参数化设计;利用CAD系统的二次开发接口,实现了多腔回流式涡轮冷却叶片的自动建模。     

面向分析的产品建模技术概述

针对当前面向制造的产品模型对产品设计后续数值模拟阶段的适应性不足的问题,为提高产品几何模型与分析模型转换效率,分析了产品模型在数值模拟中的表达形式,总结了面向分析的建模所面临的问题,归纳出面向分析的建模需求,通过改进现有的参数化建模方法,提出了面向分析的产品建模技术及其结构框架,最后以涡轮叶片为例,创建能够适应后续数值模拟的涡轮叶片模型,在一定程度上降低了叶片设计分析一体化的难度,同时对其他高质量数字化模型的创建也有一定的参考价值。     

基于NURBS的三维轴流压气机叶片的几何型面优化研究

应用NURBS建立了三维轴流压气机叶片的几何型面优化模型,将叶片的气动性能参数与NURBS形状控制权因子关联,形成一套优化判断准则。通过对某型轴流压气机静子叶片优化设计的实例验证,对比研究了优化前后叶片气动性能的差异,证实了该方法可以灵活快速地优化叶片的几何型面,以满足气动性能的需求,具有较好的工程应用价值。      

航空发动机涡轮动叶设计平台的构建与验证

针对航空发动机涡轮叶片的设计流程,开发了涡轮动叶的设计平台。基于气动热力学方法建立了1维性能设计模块;并在研究平面叶栅造型设计方法的基础上,建立了2维气动分析模块,可以实现2维叶型气动性能的快速分析;在实心/冷却叶片参数化设计的基础上,引入多学科可行方法,建立了实心/冷却叶片设计和多学科优化模块。利用所开发的设计平台进行了某型冷却叶片的多学科设计优化,有效提高了该叶片的综合性能,验证了平台的有效性。     

航空涡轮叶片气膜孔参数化建模研究

介绍了航空涡轮叶片气膜孔参数化建模的现状,分析了其参数化建模的难度。提取了气膜孔参数化建模的参数,提出了以一组气膜孔为对象的参数化建模流程及参数检查方法,解决了涡轮叶片设计过程中气膜孔反复修改耗时耗力的问题,从而提高了涡轮叶片的设计效率。