大弯角串列叶型优化设计与数值分析

以50°弯角多圆弧单列叶栅和串列叶栅为研究对象,应用数值模拟手段对所设计的两类叶栅进行数值分析,获取了其不同来流马赫数条件下的性能和流动细节。应用NSGAⅡ遗传算法结合BP神经网络技术,对串列叶栅的五个关键几何参数进行优化设计,验证了优化方法的可行性。研究结果表明:在全攻角范围内,串列叶栅的静压比都高于单列叶栅,负攻角范围内,串列叶栅损失低于单列叶栅;经过优化,串列叶栅在大负攻角下的性能略有降低,同时改善了正攻角性能,在4°攻角、0.8马赫数时静压比提升4.3%,总压损失系数降低42%;优化后串列叶栅在全工况范围内性能都要优于单列叶栅,并且串列叶栅最大压比点和最小损失点攻角均向右漂移2°。     

大弯角串列叶型形状及相对位置的耦合优化设计

为了提高串列叶型设计的质量,建立了一套结合改进微粒群优化算法、自适应Kriging模型、非均匀有理B样条(NURBS)参数化方法的串列叶型优化设计系统。该系统可以实现叶型形状和叶型相对位置的耦合优化设计。提出了一种改进微粒群优化算法。在微粒群算法中,自适应改变微粒的惯性因子、学习因子、邻域微粒数目可以有效地平衡算法的全局和局部寻优能力。采用人工免疫算子对微粒群进行变异处理可以有效保持种群多样性。运用NURBS方法实现了串列叶型的参数化,设计了一种NURBS控制点的扰动方法,证明了改进EI(expected improvement)准则能使Kriging模型更容易跳出局部最优解。应用该系统优化某大弯角串列叶型,优化结果表明:在设计工况,优化后叶型的总压损失系数降低了40.4%,优化后的叶型在全攻角下的总压损失系数减小了,静压升增加了,在正攻角下的性能改善更明显,证明了该研究的耦合优化设计方法具有很好的实际应用价值。     

基元叶栅攻角特性多目标优化

采用多段Bezier曲线对轴流压气机叶型予以参数化表达，通过Isight优化平台，结合S1流面数值模拟分析，以改良的非支配排序遗传算法(NSGA Ⅱ)对美国NASA单级轴流跨声压气机Stage 35的动叶和静叶叶中截面基元叶栅进行攻角特性的多目标优化，优化目标是降低全攻角范围内的总压损失系数以及拓宽攻角适应性范围。以总压损失系数最小点以及总压损失系数相对最高点和最低点的差值作为优化目标函数，叶栅流量不变为约束条件。结果表明:优化显著降低了动、静叶叶中截面基元叶栅的总压损失系数，并使其攻角适应性范围分别拓宽了5°和3°。      

轴流压气机串列叶栅参数优化研究

为发展串列叶栅优化设计体系,首先提出了串列叶型的参数化造型方法,并对某传统叶栅进行了串列改型,设计点总压损失系数下降了41.8%,静压升上升了0.92%。发展了主从式并行微分进化算法,并对该串列叶栅的5个配置参数进行了数值优化,设计点总压损失系数降低了8.67%,静压升提高了0.3%。采用偏相关分析法对优化全过程进行数据挖掘,揭示了5个配置参数对串列叶栅性能的影响程度。提出并验证了串列叶栅前后叶的弯角和弦长分布对攻角特性的影响关系,并定义一个新的参数用于衡量这一影响关系,实现了对攻角特性的调节,得到了全工况更优的方案。     

非轴对称端壁下高负荷压气机叶栅二次流动分析

探讨了高负荷压气机叶栅中应用非轴对称端壁的有效性.首先利用NUMECA/Design3D优化软件包来完成了对端壁的优化,然后推导并建立了高负荷压气机叶栅出口含全部掺混损失的二次流损失的计算方法,最后在设计攻角和非设计攻角下对轴对称端壁和非轴对称端壁结构的高负荷压气机叶栅内部及出口流场进行了详细的分析.分析结果表明:在设计攻角和非设计攻角下采用非轴对称端壁均能改变端壁附近载荷分布、降低叶片通道的二次流动损失;在设计攻角下使叶栅周向质量平均总压损失减少约为9.4%,在非设计攻角(±3°)下分别减损7.7%和11.8%;当非轴对称端壁幅值为4%叶高时,二次流动损失最小.      

基于主/被动联合控制技术设计的高负荷扩压叶栅内部流场结构研究

为进一步优化设计工作做准备,以基于主/被动联合控制技术设计的高负荷扩压叶栅作为研究对象,在进口为高亚声速的条件下,利用数值模拟的方法,详细研究了冲角变化对扩压叶栅壁面流谱以及气动损失的影响。结果表明,负冲角下,后列叶栅内部存在较大尺度的角区分离流动,构成叶栅损失的主要来源;随着冲角增加,流经串列叶栅近端壁处缝隙流道内流体的相对动量增强,后列叶栅角区分离流动受到抑制,端区二次流动损失降低,+3°冲角下,上、下20%叶展区域内总压损失分别降低了4.4%、6.8%,但前列叶栅叶型分离流动加剧,主流区损失增加;合理协调端壁附面层抽吸技术与串列叶栅技术的应用是提升高负荷扩压叶栅全工况气动性能的关键。     

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。     

等离子体激励对串列叶栅流动分离抑制效果的数值仿真

为了探究不同等离子体激励布局对串列叶栅角区流动分离抑制的效果,采用数值仿真方法,在流动分离前施加激励,对不同布局激励前后流场的流场结构和总压损失沿流向分布进行对比,分析了等离子体激励布局对串列叶栅角区流动分离的影响,以及激励对串列叶栅气流掺混的影响。结果表明:在来流马赫数为0.5、攻角为4°时,ACU2布局激励对流动分离有较好的抑制作用,总压损失系数减小10.74%;ACU2-ACU5组合激励对抑制后排叶片的角区分离有较好效果,总压损失系数降低25.09%。     

压气机叶栅多点气动优化设计

采用Pareto排名策略和共享小生境技术,实现遗传算法的多点优化设计。压气机叶栅的多点气动优化设计是针对某初始叶栅同时优化不同来流攻角状态点的气动性能,使其达到攻角特性最优。压气机叶栅网格由NU-MECA/Igg软件生成,流场由NUMECA/Fine软件求解。多点气动优化设计结果显示出本文发展的优化设计平台能够较好的实现多点组合气动优化设计。     

楔形涡流发生器影响高负荷叶栅性能的机理研究

为探究楔形涡流发生器流动控制技术的作用机理,对一低来流马赫数高负荷扩压叶栅开展数值模拟研究。提出在叶片前缘安装涡流发生器的方案,并对比分析了采用涡流发生器前后叶栅性能及通道内二次流结构的改变。研究结果表明,楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡,卷吸附面层低能流体,提高其抗逆压梯度能力,进而削弱横向流动,抑制角区分离;涡流发生器的强漩涡结构改善了叶栅通道二次流,使得损失重新分布,叶栅-3°到7°攻角范围内的气动性能显著提升,设计点-1°攻角时平均总压损失系数下降8.04%,平均静压系数增大7.75%,5°攻角时平均总压损失系数下降15.87%,平均静压系数增大21.79%。