基于网格变形技术的涡轮叶片变形传递

为实现学科耦合,需要在涡轮叶片多学科设计优化的气动模型和结构模型之间传递温度、气压和变形等载荷.研究结构变形向气动网格传递的实现方法.参数空间插值方法解决耦合面网格不一致时的变形插值问题;网格变形技术用来调整气动网格内部节点的位置,保证变形传递后的网格质量.某涡轮叶片变形传递实例的表明:该方法能够用于多学科设计优化问题中的变形传递.      

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。     

自由网格变形技术在涡轮叶片多学科设计优化过程中的应用

在涡轮叶片多学科设计优化过程中,结构计算的变形向气动模型传递是解决气固耦合时非常重要的一个环节。本文研究了一种网格变形技术———自由网格变形法(FFD)在涡轮叶片多学科设计优化(MDO)过程中的应用。通过涡轮叶片结构模型至气动模型变形传递的例子,表明应用该技术进行变形传递可以避免结构变形向气动网格传递时的气动网格重生成过程,在保证变形后气动模型网格质量的条件下,实现学科间的变形传递,可直接用于解决涡轮叶片MDO过程中学科间解耦的问题。     

基于径向基函数与混合背景网格的动态网格变形方法

发展了一种基于径向基函数(RBF)插值和混合背景网格映射的动态网格变形方法。混合背景网格由运动物面附近的各向异性网格和偏离运动物面的各向同性网格组成。物面变形或运动后,包含在各向异性背景网格中的所有物面网格点的位移由指定的物面运动规律得到,而各向同性背景网格点的位移通过径向基函数插值获得。然后变形后的计算网格利用计算网格与混合背景网格之间固定的映射关系代数插值得到。各向同性网格距离物面一定的距离,消除了物面保形对径向基函数插值的要求,从而可以减少径向基函数基点的数量,以提高插值的效率和可靠性。最后,通过二维和三维算例对该方法的变形网格质量、参数影响、网格拓扑依赖性、复杂外形变形能力及网格变形效率进行了测试。测试结果表明,该方法能够高效生成大变形下高质量的变形网格。     

基于反方法的高负荷涡轮动叶激波控制

为控制高负荷涡轮叶栅中的激波、改善涡轮叶栅流动状况,针对E3涡轮第二级动叶中间叶高叶型,通过修改叶型吸力面压力分布进行了弱化激波S1流面反方法研究,并基于反设计叶型,对涡轮整级性能进行了三维数值计算分析。S1流面求解器选取MISES程序,应用Mixed模式反方法对叶型表面压力分布进行修改,并在反设计过程中临时"冻结"边界层来提高计算鲁棒性,加速收敛。结果表明,S1流面反设计叶型变薄,喉道位置前移,叶栅通道内激波强度明显削弱,叶型尾迹损失明显降低;涡轮整级环境下,反设计叶型使低背压工况下的等熵效率提高了约0.55%,涡轮出口激波强度显著降低,高效运行区拓宽,变工况性能较原始涡轮得到优化,验证了本文反方法的可行性。     

涡轮叶片多学科设计优化中的多学科可行解耦

为解决涡轮叶片多学科设计优化过程中的解耦问题,将多学科可行解耦方法应用于涡轮叶片气动、传热及结构三学科的解耦。将气动、传热分析载荷下的叶片变形作为解耦循环结束与否的判断标准;解耦循环中的关键步骤——学科间的载荷传递及变形传递分别用单元内线性插值法及自由网格变形技术实现。某涡轮叶片初始设计点的解耦算例表明,解耦循环结束前收敛标准降幅达90.74%,气动、传热及结构得到了完全解耦。整个过程表明,多学科可行解耦方法虽然解耦效率有限,但在解决学科间耦合问题时具有较好的稳定性、准确性及可操作性。     

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。     

多块协调变形的网格变形技术及其应用

基于多块网格协调变形的理论,提出了适用于叶轮机内流多物边界的更具一般性的网格变形技术,先获得块边界处的变形量,然后插值得到块内网格各点的变形量。通过二维振荡叶栅和带叶尖间隙的三维跨音风扇叶片的非定常绕流算例,证明网格变形技术在叶轮机气弹稳定性数值模拟中的应用是有效的,能够在保证网格高精度的条件下,提高网格变形速度。     

低雷诺数高负荷低压涡轮叶型的气动设计

采用平面叶栅实验和数值模拟研究了不同负荷分布设计以及基于二维展向凹槽处理的非光滑型面设计对高负荷低压涡轮叶型流动损失的影响规律.研究表明:在低雷诺数状态下前加载负荷分布设计对高负荷低压涡轮叶型的二维气动性能更有利;二维展向凹槽处理的非光滑型面设计能够有效改善高负荷低压涡轮叶型在低雷诺数状态下的气动性能,但同时可在一定程度上恶化叶型在高雷诺数状态下的气动性能;基于二维展向凹槽处理的非光滑型面设计与后加载负荷分布设计的结合能够在更为宽广的雷诺数工况范围内改善叶型的气动性能.      

高亚声速压气机叶片优化设计

为实现压气机叶片的优化设计,采用Hicks Henne函数进行叶型参数化,N S方程流场计算与混合遗传算法结合构成设计软件。以给定叶片表面压力分布为目标,以损失小而扩压度大和给定压比损失最小作为目标,所得优化叶片吸力面等熵马赫数分布合理、符合控制扩散规律,具有较好的压比和损失指标。采用几何方法与椭圆型方程方法结合生成壁面正交H型网格,可提高计算精度和便于采用代数紊流模型的流场计算。     

基于检测结果的涡轮叶片精铸型腔反变形优化设计

针对空心涡轮叶片精铸过程中的试错法和数值仿真法难以敏捷反应铸件的真实变形情况,提出一种基于检测结果的精铸零件反变形综合补偿方法.通过对精铸叶片试模样件进行三坐标检测及统计分析,得到叶身截面收缩、扭转和弯曲变形情况,并建立其综合补偿反变形模具型腔优化算法,实现精铸型腔的反变形优化设计.以精铸叶片试模样件叶尖处截面为例,其叶身段型面误差、前缘最大误差、后缘最大误差相对于未补偿前分别减少了50%,68%和31%.实例验证表明:其研究成果能有效提高空心涡轮叶片的精铸成型精度,达到精确控形的目的.      

基于单循环方法的涡轮叶片可靠性及多学科设计优化

为了得到适用于涡轮叶片复杂结构并同时考虑可靠性的多学科设计优化方法,将基于单循环方法的可靠性分析（SLBRA）与并行子空间设计优化方法 （CSSO）相结合,提出了一种基于可靠性的多学科设计优化（RBMDO）方法。在优化过程中使用Kriging近似模型并不断提高模型精度。该方法在计算最可能失效点（MPP）的过程中避免了优化迭代,提高了计算效率。以涡轮叶片的设计优化为例,对该方法进行了验证并与传统双循环方法进行了对比。结果表明,优化结果满足可靠性的要求,与双循环方法相比优化效率明显提高,证明了该方法在工程应用中的可行性和有效性。     

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。     

Delaunay graph-based moving mesh method with damping functions

The fluid–structure interaction and aerodynamic shape optimization usually involve the moving or deforming boundaries, thus the dynamic mesh techniques are the key techniques to cope with such deformation. A novel dynamic mesh method was developed based on the Delaunay graph in this paper. According to the Delaunay graph, the mesh points were divided into groups. In each group, a factor ranging from 0 to 1 was calculated based on the area/volume ratio. By introducing a proper function for this factor, this method can control the mesh quality with high efficiency. Several test cases were compared with other dynamic mesh methods regarding mesh quality and CPU time, such as radial basis function method and Delaunay graph mapping method.     

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%.      

一种基于径向基函数和峰值选择法的高效网格变形技术

基于径向基函数的网格变形方法因其具有诸多优点,而被广泛应用于气动外形优化设计等领域。对于大规模网格或复杂构型,该方法所需计算量是难以承受的。为了提高网格变形效率,可以通过减少建立插值模型所需支撑点数目来实现。为此,提出一种高效的选点算法--峰值选择法。该算法在选点过程的每个迭代步中对边界节点处的误差进行分析,从物面节点中选取多个峰值点来更新支撑点集,减少迭代步数,提高选点效率。在该算法的基础上,实现了网格的高效变形。三段翼型的网格变形算例证明：该方法可以在保证网格质量的同时实现复杂网格的变形。以DLR-F6复杂模型（约1 000万网格）的刚性运动和弹性大变形为算例对该方法的变形效率和变形后网格质量做了进一步评估：当相对误差设置为5.0×10^-7时,在保证变形后网格质量的前提下,该方法变形效率最快比传统贪婪算法提高了13倍,其中在选点效率方面最快提高了31倍。     

航空发动机涡轮叶片径向变形的概率分析

为描述航空发动机涡轮叶片径向位移的变化规律,改善叶尖间隙设计和控制的合理性,考虑多种随机变量,融合有限元和响应面方法进行了叶片径向变形的概率分析。通过对涡轮叶片在典型载荷下的热分析和结构分析,计算出叶片变形随时间的变化规律,并找出最大位移点作为概率分析的计算点;在计算点处考虑热载荷和离心载荷作用,结合响应面拟合蒙特卡洛法计算出了危险点处的叶片径向变形的分布概率和符合设计要求的可靠度,并分析了影响间隙量的随机因素的灵敏度。结果表明:叶片径向变形量和安全变形概率基本符合设计要求;影响叶片径向位移变化的主要因素是温度、转速和质量。     

基于网格重生成的涡轮叶片变形传递方法

在涡轮叶片多学科优化中需要在气动模型和结构模型之间进行耦合信息(气压、温度和变形等数据)传递,来考虑学科耦合的性质.采用修正几何外形和网格重生成的方法实现了叶片结构变形向气动模型传递.传递时在叶片几何模型上增加若干外形控制线,叶片的外形由这些控制线的形状来决定.根据叶片结构变形,调整控制线节点位置坐标,以修改叶片外形控制线的形状,可以实现变形向叶片几何模型的传递.进一步,重新生成气动网格,可以得到结构变形后叶片的气动网格模型.      

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%.