基于轮毂静压的非轴对称端壁造型

为探究非轴对称端壁减小流动损失的机理,根据非轴对称端壁造型基本原理,提出了一种基于轮毂静压构造非轴对称端壁的方法。以Rotor37为研究对象,采用NUMECA/Auto-Blade和Design3d进行端壁造型和优化,并使用EURANUS流场求解器进行数值计算,分析了造型后端壁对压气机转子总体性能的影响。结果表明:基于轮毂静压的非轴对称端壁能有效减小叶片通道的横向压差,抑制气流在吸力面出现过早分离,且叶片表面的压力分布更加均匀,叶片出口总压损失系数降低了8.94%,证实了基于轮毂静压构造非轴对称端壁方法的有效性。     

风扇转子叶片前缘精细维修方案及流动特性分析

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标,在前缘侵蚀对风扇转子气动特性衰退研究的基础上,开展叶片前缘维修方案的研究。鉴于当前采用人工打磨维修手段引起的前缘气动性能的不确定性,针对侵蚀叶片前缘进行精细参数化控制,利用遗传算法寻求几何约束下的前缘最佳维修优化方案。数值计算结果显示,通过前缘优化设计能够显著地提升前缘侵蚀叶片气动特性。相比于前缘侵蚀叶片,最佳维修方案叶片的等熵效率值在设计点和近喘点附近分别提高了1.21%和3.01%,基本恢复至原始叶片水平,展现出了优秀的气动特性。叶片前缘对于风扇转子叶片吸力面附面层发展影响明显,最佳前缘维修方案能够有效地降低近前缘边界层厚度,降低附面层内部的流动损失。     

基于实验设计和响应面模型的风扇转子气动优化设计

针对跨声速风扇动叶中掠、弯结合叶片基于控制点的B样条曲线对积叠线进行参数化,以掠、弯为设计自由度,应用实验设计、三维粘性流场求解、响应面模型及遗传算法对Rotor 67以近尖峰效率工况点为设计点对风扇转子进行了气动优化设计,得到了前掠与弯向旋转方向的复合设计叶片,其总压比有较明显提高。但由于优化是在单一工况点下进行的,其变工况性能不佳。     

雷诺数对跨声速压气机转子内部流动失稳触发机理的影响

利用带有先进转捩模型的数值模拟方法,对高低两种雷诺数下的跨声速压气机转子NASA Rotor67的内部流动进行了数值模拟.对比了不同雷诺数下叶片内部复杂三维流动,剖析了雷诺数影响风扇转子流动失稳的机制.研究发现:雷诺数降低使得叶片表面低能流体增多,径向迁移加剧,造成叶片顶部吸力面分离加剧;且雷诺数降低使得叶顶间隙泄漏流强度减弱,间隙泄漏流和主流相互作用造成的叶片顶部流场堵塞减弱.雷诺数通过上述两种作用影响压气机转子的失稳机制.     

跨声速风扇转子叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对跨声速风扇转子气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了跨声速风扇转子NASA Rotor 67附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析不同叶顶间隙时风扇转子失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理。研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在小间隙、设计间隙和大间隙情况下分别使风扇转子失速裕度提高32%,33.6%和70.6%。小间隙时,转子叶尖泄漏涡和叶片吸力面附面层分离是影响风扇转子失稳的关键因素,设计间隙和大间隙时,叶尖泄漏涡导致的大面积阻塞区是影响风扇转子失稳的关键。三种不同叶顶间隙情况下,压力面小翼的扩稳机制均在于有效降低了转子叶尖泄漏涡强度,减弱了叶尖泄漏涡导致的低轴向速度区流体的阻塞程度。     

含鸟撞变形叶片的压气机气动性能数值模拟

为研究受到鸟撞前后压气机气动性能的变化，提出了鸟撞叶片结构-气动分析几何模型的转化流程，基于NASA Rotor37 转子得到了鸟撞变形叶片几何模型，分别建立了鸟撞前后的全通道气动性能CFD计算分析模型，在设计转速下开展了全3维黏性 流场数值模拟，并与Rotor37转子部件气动性能试验数据进行了对比分析。结果表明：模拟结果与试验结果非常接近，证明了该数 值模拟方法有效；鸟撞后叶片变形区域攻角增大导致的局部气流分离及并发的气流低速流动的耦合是转子气动性能恶化与转子 进入失稳工况的主要原因，含鸟撞变形叶片的转子压比、效率等气动性能参数明显降低，稳定工作边界明显缩小。所发展的气动 性能数值模拟方法与流程可有效地预估含变形叶片的压气机稳态气动性能。     

不同约束条件下跨声速涡轮叶栅伴随气动优化设计

发展了一种简化的基于无反射边界理论的伴随方程进出口边界条件确定方法,研究了考虑不同约束的叶片气动外形优化设计。研究结果表明:采用流动强耦合的简化伴随方程进出口边界条件确定方法,能够确定精度较高的伴随灵敏度,在不同类型的伴随气动优化设计中均具有较好适用性。无约束的出口质量熵优化后,出口质量熵降低0.253%,流道面积和出口气流角变化较大。分别考虑出口气流角气动约束、流道面积几何约束和同时考虑上述两种约束的影响,优化后出口质量熵分别降低0.176%、0.227%和0.164%,优化后叶片气动性能显著提升,且满足约束条件。改变叶型曲率能有效减弱激波强度,吸力面前段曲率降低时,流动减速、出口气流角增大,吸力面前段曲率变化较小时,出口气流角约束较好。      

叶身/端壁融合技术研究

角区流动的现象普遍存在,其中角区流动分离是制约叶轮机性能提升的关键因素。针对抑制或消除角区分离情况,在简要回顾二面角原理的基础上,提出叶身/端壁融合技术(Blended Blade-EndWall,BBEW),指出了其所包含的二面角原理的3种应用方式,并以NASA 67号转子叶片为例,采用数值方法研究了应用第2种方式(即增大过渡曲面最小曲率半径方式)的改型效果。结果表明:采用二面角原理第2种应用方式的BBEW能够有效地减弱或消除高负荷叶片吸力面角区分离,进而明显改善了67号转子叶片性能,因此BBEW是抑制或消除角区分离的有效技术。     

跨声速轴流压气机转子反问题优化方法

为降低跨声速压气机叶片通道中的激波损失,提升跨声速压气机的气动性能,以三维粘性反问题设计方法理论为基础,发展了三维反问题设计方法,并对反问题所使用的边界条件进行了改进。在保持叶片总切向载荷不变的同时,通过调整叶片表面沿轴向的载荷分布,达到降低叶片通道内部的激波强度,减少激波损失的目的。为验证方法的正确性,文中运用NASA Rotor 67跨声速压气机转子实验数据与计算结果进行对比,在此基础上对叶片表面载荷进行分析,在修改叶片表面载荷分布后通过反问题设计方法得到新的叶片几何。结果表明,通过修改叶片表面载荷分布,运用反问题设计方法得到的新叶片,其激波强度明显降低,压气机转子出口流量提高了0.5%,效率提高了1.0%。     

跨声速压气机转子的二次流旋涡结构

为了明确跨声速轴流压气机内部流场结构,数值模拟了NASA Rotor37转子,结合λ2准则分析流场参数,探索流动的规律和旋涡结构。研究发现,压气机转子的旋涡模型主要由马蹄涡、壁角涡、径向涡、脱落涡、泄漏涡、诱导涡和分离涡等7个旋涡组成。马蹄涡吸力面分支耗散,压力面分支向相邻的吸力面发展。壁角涡与脱落涡位于叶根角区,引起流动损失和角区失速。径向涡位于激波后吸力面的分离区内,它扩大吸力面分离、引起低能流体向叶顶堆积。激波与叶尖泄漏在叶顶通道中形成3涡:泄漏涡、诱导涡和分离涡,而叶栅通道出口存在分离涡和由泄漏涡与诱导涡合成的叶顶通道涡。泄漏涡与诱导涡破碎在流道中间产生的堵塞区,分离涡造成吸力面尾缘的低速区,共同触发跨声速压气机的失稳。     

基于多级环境下的双排对转压气机优化设计

以某双排对转压气机为研究对象,采用三维Navier-Stokes方程计算、叶片参数化造型、神经网络构建近似函数、遗传算法寻优相结合的优化方法,对转子2叶片进行级环境下的全三维叶型优化方案探索.优化目标是在控制流量和压比的情况下,最大化等熵效率.优化结果显示,设计点压气机效率提高1.5%左右.通过流场细微结构分析表明新叶型的气动布局得到合理改善,转子2中,尖部流场低速区域有所减少,分离现象有所减弱.      

重型燃气轮机压气机高雷诺数前转捩叶型设计

针对重型燃气轮机压气机雷诺数高而导致的转捩位置前移,开发了一种比可控扩散叶型(CDA)损失更小、工作范围更宽的前转捩叶型.采用正问题优化设计方法,将叶型几何参数化、叶片到叶片流场分析与遗传算法相结合,实现了叶型的自动优化.优化目标综合权衡了叶型损失和攻角范围,为减少优化变量的数目,应用了一种特别的叶型几何模型,将厚度分布与中弧线之间进行了一定的关联.优化得到的前转捩叶型的主要特征是吸力面速度峰值的位置前移至距前缘约10%弦长处,叶型中后部的速度变化更为平缓.最后根据优化结果总结了前转捩叶型的设计规律.      

叶片压力面到吸力面射流对其气动特性的影响

提出了从叶片压力面到吸力面开孔射流延缓吸力面尾缘气流分离的思想,建立了考虑射流影响的叶片三维流场数值计算方法。以NASA67风扇叶片为原型进行开孔设计,通过数值模拟分析了开孔射流对该风扇叶片的流动特性、性能和稳定性的影响,初步研究表明经开孔射流处理能有效改善叶片吸力面尾缘的流动特性,从而提高压气机性能和稳定工作范围。     

An intuitive parameterization method with inherently high-order differentiability for compressor blade sections based on ellipse hierarchical deformation

Shape parameterization has a crucial influence on the optimal solution of aerodynamic optimization. This paper proposes a novel parameterization method for compressor blade sections based on the three-level deformation of the ellipse, which simultaneously satisfies the requirements of flexibility, smoothness, intuitiveness, and compactness. In proposed method, the first-level deformation directly controls nine key geometric parameters to construct the blade section profile, and then the second- and third-level deformations are performed respectively to coarsely and finely modify the profile while keeping the key geometric parameters unchanged. These three levels of deformation effectively decompose the design space without destroying the ellipse’s infinite differentiability, allowing designers to work only with intuitive shape-related parameters to design blade sections with inherently high-order continuity. To verify the effectiveness, six existing blade sections are first fitted and then one of them is selected for a three-level optimization. The results show that the geometry and aerodynamic performance of the fitted and the original blade sections are in good agreement, and the loss coefficient of the optimized blade section is reduced by a total of 36.41%, with 27.34%, 8.45%, and 0.62% reductions for the first to the third level, respectively. Therefore, the proposed parameterization method facilitates the design of lower-loss and higher-load compressor blade sections.     

吸附式风扇/压气机叶型自动优化设计

在无吸气叶型优化设计平台的基础上,对叶栅流场计算程序中吸气位置处边界条件进行处理,建立了吸附式风扇/压气机叶型优化设计平台.应用该优化设计平台对某高亚声速叶型进行了优化,优化过程中叶型参数化采用初始叶型叠加修改量方法,除将叶型参数化中的叶型控制参数作为设计变量外,吸气位置也作为设计变量,吸气系数为0.01且保持不变.NUMECA计算结果表明:优化叶型的总压损失系数为0.0195,扩散因子为0.676;与优化前相比,优化后总压损失系数减小了54％,扩散因子保持不变.该优化叶型压力面尾部出现拐点,拐点前流动加速减压,缺点是减小了叶型尾部负荷,但也抑制了流动分离,减少了损失.     

跨音速压气机附面层组合抽吸方案对比分析

以NASA Rotor35为研究对象,应用数值模拟方法深入研究了叶表抽吸和端壁抽吸的不同抽吸组合布局对该跨音速压气机流场结构以及其性能影响规律.研究结果表明:四种抽吸组合在不同的抽吸量下均使压气机的压比和效率有所提高,相对叶表抽吸或端壁抽吸,其在较大的抽吸量时对压气机性能的提升较大,在抽吸量Sc=2.0%时最佳抽吸组合...     

基于贝塞尔曲面参数化方法的1.5高负荷轴流压气机气动优化

基于贝塞尔曲面参数化控制理论发展了一套高效的轴流压气机全局优化设计方法,通过在优化循环中改变转、静子叶片吸力面几何形状来得到优化解,具有优化变量少、物理直观性强及曲面光滑等优点。以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,在Isight平台上集成了贝塞尔曲面参数化程序、CFD求解器及多岛遗传算法来对其进行气动性能优化。结果表明:在总压比变化不超过±0.5%、流量不降低的约束条件下,优化后压气机设计点流量增大0.938%,等熵效率提高0.486%,综合裕度拓宽1.361%,验证了全局优化方法的有效性。      

Automatic differentiation based discrete adjoint method for aerodynamic design optimization on unstructured meshes

A systematic methodology for formulating, implementing, solving and verifying discrete adjoint of the compressible Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations for aerodynamic design optimization on unstructured meshes is proposed. First, a general adjoint formulation is con-structed for the entire optimization problem, including parameterization, mesh deformation, flow solution and computation of the objective function, which is followed by detailed formulations of matrix-vector products arising in the adjoint model. According to this formulation, procedural components of implementing the required matrix-vector products are generated by means of auto-matic differentiation (AD) in a structured and modular manner. Furthermore, a duality-preserving iterative algorithm is employed to solve flow adjoint equations arising in the adjoint model, ensur-ing identical convergence rates for the tangent and the adjoint models. A three-step strategy is adopted to verify the adjoint computation. The proposed method has several remarkable features:the use of AD techniques avoids tedious and error-prone manual derivation and programming;duality is strictly preserved so that consistent and highly accurate discrete sensitivities can be obtained; and comparable efficiency to hand-coded implementation can be achieved. Upon the cur-rent discrete adjoint method, a gradient-based optimization framework has been developed and applied to a drag reduction problem.     

Improved aerodynamic design of turbomachinery bladings by numerical optimization

The aerodynamic optimization of a transonic compressor is reported in this paper. The Q3D Navier–Stokes solver COLIBRI is coupled to a gradient-based method (CONMIN) and to a genetic algorithm (GADO). The suction side of a 2D blade is optimized by using both optimization methods with a significant efficiency improvement. In 3D, the performance improvement is obtained by modifying the suction surface of a transonic compressor with a Bézier surface and by using the CANARI solver coupled to the gradient method (CONMIN).     

压气机二维动叶栅非定常流场的大涡模拟

对压气机二维动叶栅,采用单通道和多通道计算模型进行了大涡模拟(LES),研究了节流过程中内部流场的非定常波动特征,分析了旋涡结构和波动频率的变化规律.结果表明:大流量工况时,前缘绕流和叶片吸力面分离产生的两种非定常波动共存,波动频率随压气机节流基本保持不变,此时吸力面分离表现为小尺度旋涡结构;近失速工况时,吸力面发生大尺度的流动分离,波动频率明显下降,低于叶片通过频率.