离心式压气机流-热-固耦合分析

利用松散耦合方法建立离心式压气机稳态流-热-固耦合模型,将离心式压气机解耦成气动、传热和结构三个子系统,子系统间存在热、力和变形的传递。由于不匹配的网格划分,利用反距离平均方法构造插值函数实现热与力向结构的传递,采用统一有限元模型实现热-固顺序耦合分析,利用网格重生成技术实现结构变形到气动分析模型的传递。经过3次迭代离心式压气机耦合系统达到收敛。结果表明,分析的离心式压气机内部流-热-固耦合强烈,耦合解法与非耦合解法得到压气机响应存在较大差异,对于多学科耦合强烈的构件,需要考虑学科间的耦合效应反应真实的工作状况。     

吸附式压气机叶型及抽吸方案耦合优化设计

为了探索吸附式叶型设计特点,研究了一种将叶型和抽吸方案耦合优化的新型吸附式压气机叶型设计方法。该方法利用人工蜂群算法结合准三维叶栅通道计算程序对吸附式叶型进行耦合优化设计。在进口马赫数为0.7,攻角1.9°的设计工况下,将耦合优化得到的优化设计方案与先优化叶型再优化抽吸方案得到的原始设计方案进行了对比分析,并且对耦合优化前后的设计方案均进行了风洞吹风实验,验证了耦合优化设计方法的准确性和实际应用性。研究结果表明:耦合优化设计之后总压损失降低了27%,负荷提高了2%。适当改变叶型前缘半径,可以推迟附面层转捩位置,减小气流的摩擦损失,使附面层流动更为合理。针对本文的设计工况,更均匀的弯度变化会提高吸附式叶型的设计效果。本文在54%相对弦长处并配合0.75%的抽吸量,可以有效地控制叶型分离,降低抽吸所需要的能量。     

一种高效的CFD/CSD耦合飞行器多学科优化设计方法

建立了一种基于CFD/CSD (computational fluid dynamics/computational structure dynamics)耦合的多学科优化设计方法.该方法采用结构有限元方程进行结构特性分析,同时采用数值求解N-S方程方法获得气动载荷,保证了设计结果的可信性,并采用基于代理模型的优化设计方法解决了采用高精度模型后计算量太大的问题.采用RBF(径向基函数)插值方法进行流固耦合界面数据插值,保证了传递过程中的能量守恒.利用建立的优化设计方法对一典型的翼身组合体进行了气动和结构优化设计,算例表明在满足约束条件的前提下优化后阻力和质量分别减小了5.0%和4.2%,证明了该方法的有效性.      

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.      

涡轮叶片的气动-热-结构多学科设计优化研究

涡轮叶片设计是典型的多学科问题,在保证结果精度的同时必须重视计算效率.通过控制样本的数量和质量,近似模型能够在保证一定精度的前提下,简化多学科优化过程中的数据管理,并提高优化效率.通过分析涡轮转子叶片的气动-热-结构三个学科的设计过程和数据传递关系,充分利用各学科现有的分析工具,建立了涡轮叶片的气动-热-结构多学科优化设计框架.对某涡轮转子叶片分别使用Kriging近似模型和精确分析方法进行优化对比,可以看出两者的结果误差约为1.86%,而效率提高了将近46%,表明采用近似方法的优化结果在工程上是可用的,而且在计算效率更占优势.      

基于CST方法的吸附式压气机叶型及抽吸方案耦合优化设计

为了探索吸附式叶型设计特点,研究了一种将类别形状函数变换法(CST)方法和人工蜂群算法相结合,利用2D程序作为流场求解器,对吸附式叶型和抽吸方案进行耦合优化设计的新型吸附式压气机叶型设计方法,并且详细论证了CST方法用于吸附式叶型优化设计的可行性。研究结果表明:耦合优化设计之后在保证叶型强度未下降的基础上总压损失降低了65%,气流转折角增加了3°,气动性能得到较大的提升。针对所优化的进口高亚声速的吸附式叶型,通过适当改变叶型前缘处的型面,可以较好地控制气流马赫数,避免产生激波,从而防止附面层厚度增加,降低叶型损失。     

基于CFD方法的大型客机高速气动设计

大型客机高速气动设计需融入型号的设计经验、准确的数值分析方法以及高效的全局优化流程。将型号研制积累的设计经验及准则与现有数值计算工具、优化算法和计算机硬件资源相结合,探索发展了基于CFD的大型客机气动优化设计综合方法,该方法系统综合全局优化与局部寻优、人工经验与数值优化、参数化方法和参数控制以及自动化网格生成等方法和技术,大幅提升了气动设计效率。同时,完善了工程中实用的大型客机高速气动设计方法和流程,设计过程中融入了气动、结冰、静气动弹性等多专业的综合约束,反映了机翼设计多学科综合的本质特征,有助于形成综合最优的设计方案。以大型客机的超临界机翼优化设计为例,叙述了其在高速气动设计工作中的应用。     

单级压气机气动优化设计

针对单排叶片气动优化设计难以保证级性能的问题,对一单级跨声速压气机进行了动静叶匹配的同时优化设计。以动叶中的掠、倾,静叶中的弯为设计自由度,对NASA Stage35进行了以气动设计点与峰值效率点为优化点的多工况气动优化设计,得到了动叶前掠、静叶向压力面侧弯曲的优化压气机级,其全工况性能均有不同程度的改善。     

吸附式压气机转子叶片气动优化设计

进行吸附式压气机转子叶片气动设计方法研究.提出通过迭代设计,应用三维流场计算结果提供S₂流面通流计算损失模型,提高了S₂流面流场计算精度;将最优化方法与数值模拟技术相结合,建立吸气与型面耦合的回转面二维叶型优化设计和三维叶片优化设计软件;应用所构建的设计软件,进行吸附式压气机转子设计,数值模拟结果表明:该转子在0.86的叶尖载荷下,设计点总压比为1.631、等熵效率为0.965,实现了高气动性能.      

遗传算法在多级压气机气动优化设计中的应用

用遗传优化算法结合流线曲率法管流流场求解器建立了一种多级压气机多目标气动优化设计方法.优化目标为总压比和绝热效率最大, 决策变量为转子和静子叶排尾缘速度环量.测试结果表明, 该优化算法的搜索效率和全局性都较好.用该方法对一台5级高压压气机进行了气动优化设计, 压气机性能有了明显提升.      

转子-支承耦合结构的模型修正研究

在转子-支承耦合结构的动力学分析过程中,结构模态参数计算结果与实验测试结果往往存在较大差异。针对此问题,应用优化算法对结构动力学模型进行修正,使计算模型能更准确地反映结构特性。建立由梁单元、盘单元、弹性支承单元组成的结构动力学有限元模型;选择优化目标函数、设计参数,并对各参数进行灵敏度分析。应用粒子群算法对选取的设计参数进行优化,得到最优模型。利用转子-滚动轴承实验器进行验证,结果表明,方法能够有效地实现转子-支承耦合结构的动力学模型修正,修正后模型更接近实际结构。     

涡轮叶片流固耦合协作优化方法

针对结构和流场相互影响的流固耦合多学科设计问题,提出一种耦合量曲面拟合的协作优化方法。其特点是用曲面函数拟合结构-流场界面耦合量(温度、气压和变形)的空间分布,并用曲面拟合参数的一致性代替原有耦合量界面分布的学科一致性。涡轮叶片的算例表明:曲面拟合函数可以表征结构和流场界面的耦合量;用拟合参数的一致性代替界面直接耦合是可行的;该协作优化方法是可以用来解决流固耦合多学科优化设计问题的。     

应用Delaunay图映射与FFD技术的层流翼型气动优化设计

采用非均匀有理B样条(NURBS)基函数属性建立了任意空间的自由式变形(FFD)翼型参数化方法,进一步结合基于Delaunay图映射技术建立了结构对接网格变形模式,通过粒子群优化(PSO)算法进行参数化方法、网格变形模式以及计算流体力学(CFD)数值模拟技术之间的整合,研究、构建了气动优化设计系统,并对某型层流理念设计的高空长航时(HALE)飞机基本翼型进行气动优化设计。气动特性目标函数评估方法中,边界层转捩数值模拟技术采用γ-Re_θt转捩模型耦合剪切应力输运(SST)模式湍流模型。优化设计后翼型气动特性表明:采用相关技术建立的层流翼型气动优化设计系统对于层流理念设计的HALE飞机翼型的设计具备较高的优化效率。     

一种转子动力吸振器的参数优化方法

对用于抑制转子系统启机过临界转速时过大振动的动力吸振器进行参数优化设计,以达到最优抑振目的。利用有限元方法建立动力吸振器-转子耦合系统的动力学方程,求得耦合系统的半数值半解析的响应表达式。设计优化策略利用响应解与限边界的坐标轮换法相结合,寻找动力吸振器的最佳设计变量;将所得最优参数的动力吸振器与常规优化设计方法设计的动力吸振器的抑振性能进行对比,并分析动力吸振器对参数最优偏离的敏感性。结果表明:该参数优化方法优化的动力吸振器能降低1阶共振幅值达45.4%,说明了该方法的有效性;该方法比两种有效的常规优化方法优化的动力吸振器的抑振效果分别高11.2%、9%,可见其优化效果的优异性;与阻尼最优偏离相比,该参数优化方法优化的动力吸振器的抑振性能对刚度最优偏离具有更高的敏感性。      

飞行器横滚运动的优化方法

引言 轴对称飞行器为了产生一个适合导引规律的空间法向力,在其三通道的飞行控制系统中有一个通道的功用是使横滚运动保持稳定。无坐标变换装置的轴对称飞行器还要求倾斜角是无静差的。本文就此讨论了一个实用的自控非线性横滚运动的优化设计问题。     

脉冲子结构与有限元刚-弹混合连接的子结构方法

航天器结构的日益复杂庞大对系统级的动力学建模仿真以及进一步的结构优化提出了巨大挑战。为提高动力学求解效率,通常引用动态子结构方法。本文利用适于处理瞬态冲击问题的脉冲子结构(IBS)方法,并对其进行改进,将基于脉冲响应函数(IRF)的子结构与有限元建立的子结构综合,同时考虑刚性、弹性以及刚-弹混合连接情形下的子结构综合格式。通过3个数值算例,验证了方法的正确性。最后将刚-弹混合连接下的子结构方法应用到月球探测器软着陆的动态响应预测,结果表明该方法适于对月球探测器软着陆动态响应进行高精度快速预测,并且可以应用于月球探测器的局部动力学结构优化。     

Research of low boom and low drag supersonic aircraft design

Sonic boom reduction will be an issue of utmost importance in future supersonic transport, due to strong regulations on acoustic nuisance. The paper describes a new multi-objective optimization method for supersonic aircraft design. The method is developed by coupling Seebass–George–Darden(SGD) inverse design method and multi-objective genetic algorithm.Based on the method, different codes are developed. Using a computational architecture, a conceptual supersonic aircraft design environment(CSADE) is constructed. The architecture of CSADE includes inner optimization level and out optimization level. The low boom configuration is generated in inner optimization level by matching the target equivalent area distribution and actual equivalent area distribution. And low boom/low drag configuration is generated in outer optimization level by using NSGA-II multi-objective genetic algorithm to optimize the control parameters of SGD method and aircraft shape. Two objective functions, low sonic boom and low wave drag, are considered in CSADE. Physically reasonable Pareto solutions are obtained from the present optimization. Some supersonic aircraft configurations are selected from Pareto front and the optimization results indicate that the swept forward wing configuration has benefits in both sonic boom reduction and wave drag reduction. The results are validated by using computational fluid dynamics(CFD) analysis.     

高速低温动静结合型机械密封结构优化及运转试验

在分析高速涡轮泵轴端非接触动静结合型机械密封所处的高速、低温、高压力、低黏度介质润滑等极端工况基础上,发展了考虑密封副固体、被密封流体、弹性补偿支撑单元等在内的热、流、固、力耦合的密封综合性能求解模型。基于此模型,完成了对处在低温、低黏度润滑介质下的机械密封运转性能的分析及关键结构参数的优化,优化的目标为密封承受载荷力W和泄漏量Q为最大及液膜产生的功耗（或温升）较小。以优化后的密封样件开展了低温液氮模拟介质运转试验,考察优化后密封在低温条件下的快速启动特性和摩擦特性。结果表明:低温高速工况下的密封外人字槽和内螺旋槽组合结构的槽数为30、槽深为3μm为一类优化结果,低温运转试验表明正常工作时端面摩擦因数为0.14。      

不同机翼优化构型的轻质F4模型气动特性实验研究

采用光固化快速成型技术（SL）加工基于气动/结构耦合分析的六套不同机翼优化构型的轻质F4模型,在0.6m跨超声速风洞完成了马赫数0.6-0.85范围内的气动力测量试验。试验结果表明,采用气动/结构耦合优化设计的代号为6#的轻质F4模型升力特性与国外结果较接近,与机翼三维变形的事实吻合,验证了采用的气动/结构耦合优化设计方法基本可行,为探索模型静气动弹性风洞试验数据修正方法提供了参考。