基于系统辨识技术的叶轮机非定常气动力建模方法

 为了快速获得不同刚度的叶轮机叶片颤振特性,提出了一种基于系统辨识技术的叶片排非定常气动力建模方法,分析了叶片气动阻尼随叶间相角差和固有频率的变化特性.该方法通过对多叶片通道的某一叶片单独施加一个扫频振动信号,求解一次非定常流场,得到叶片排上每个叶片的气动力响应,通过系统辨识,获得每个叶片的气动力频率响应.根据小扰动流的叠加原理,得到扫频范围内各固有频率下的叶片排所有叶片共同激励的气动力模型,由此进一步得到各个不同固有频率的所有叶间相角差下的气动阻尼.针对STCF4(Standard Test Configuration 4)算例,该方法的计算结果与直接采用计算流体力学(CFD)方法和直接采用谐振信号的降阶方法(ROM)得到的气动阻尼系数吻合得很好.该方法只需进行一次非定常CFD计算就能得到扫频范围内不同固有频率下的气动阻尼特性曲线,极大地提高了计算效率,方便了叶轮机设计初期的气动弹性稳定性参数分析.     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(II)数值研究

缘线匹配通过考虑多叶排叶轮机相邻叶排间前排叶片尾缘线与后排叶片前缘线空间相对位置匹配关系来进一步提升叶轮机性能,有潜力使叶轮机非定常设计走向工程实际。以一单级跨声轴流压气机和一单级轴流透平为例,尝试用基元流动展向积分方法和全优化方法改善其性能,从而示例应用缘线匹配的具体方法及前景。结果表明,缘线匹配为叶轮机非定常设计提供了可操作的自由度。     

民用大涵道比涡扇发动机叶轮机某些关键技术

结合国内外的相关研究工作,对大涵道比涡扇发动机叶轮机部分设计技术研究进展进行了总结和分析,从风扇/压气机设计技术、涡轮设计技术、流动及噪声控制和多学科耦合四个方面阐述了我国发展大涵道比发动机需要解决的部分叶轮机关键技术.      

振动叶栅中尾迹/激波相干的数值研究

研究了尾迹/激波相干对振动叶栅非定常流动的影响.数值方法利用了先进的谐波方法.该方法基于傅立叶变换,把叶栅非定常流变量分解为一时间平均量和若干谐波分量,继而,时域非定常N-S方程被转化为频域定常傅立叶系数方程.定常傅立叶系数方程的求解采用了伪时间推进方法.为加速数值解收敛,采用了本地时间步长和多重网格技术.通过NASA67转子算例结果表明:上游尾迹对振动叶栅非定常流动具有显著影响.当存在尾迹相干时,叶片通道内的激波在轴向方向上表现出较大的漂移运动,叶片所受的非定常力幅值变大,同时失去了时间周期性.      

基于时间推进的通流计算方法:现状及展望

为探究基于时间推进的通流方法在叶轮机械设计分析中的应用潜力,报告了国内外相关研究现状,详细阐述了该方法在应用过程中的若干关键问题,包括:叶片堵塞的几何描述、叶片力的模拟、叶片前后缘间断问题的处理和激波的捕获等,并对不同模型进行了比较。总结可知,相比传统通流方法,该方法具有捕捉激波,适应堵塞,流场模拟更为精细以及计算扩展性良好等诸多优点,在先进航空发动机或燃气轮机的部件设计和分析、整机稳态、过渡态性能模拟中,都具有相当的优势与应用潜力;同时尽管该方法的研究取得了很大进展,但在上述若干关键问题上仍有提高空间。通过进一步的发展与完善,该方法有望成为叶轮机械设计和分析的标准工具。     

叶轮机械叶片弯掠气动技术研究进展

叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的应用,使叶片通道流场的稳定性得到了明显改善,叶轮机械的工作效率得到了显著提升,越来越引起研究者的重视。结合近年来在叶片弯掠气动技术领域开展的研究,详细综述了国内外叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的研究进展。首先,回顾了叶片弯掠气动技术的发展历程,将叶轮机械叶片的设计分为3个阶段,分别是直叶片、扭叶片和以弯扭掠为主要特征的空间叶片,并指出以弯扭掠为主要特征的第3代叶片虽然已经得到应用,但仍有很多问题还没有完全解决。然后,分析现有研究中对叶片弯掠的定义,指出其本质均是在直叶片的基础上,通过移动叶型积叠点的位置使叶片产生弯曲或扫掠的效果,进而拓展叶片的设计空间。其次,综述了叶片弯掠对流场的影响,并归纳总结其作用机理是通过改变叶片对气流的作用力在径向的分量,实现叶片载荷和流量沿叶展的再分配,进而控制低能流体微团的输运,减小二次流损失。最后,对叶片弯掠气动技术在今后的发展方向进行了展望。该研究为叶轮机械叶片弯掠气动技术的进一步研究提供参考。     

Computational prediction of airfoil dynamic stall

The term dynamic stall refers to unsteady flow separation occurring on aerodynamic bodies, such as airfoils and wings, which execute an unsteady motion. The prediction of dynamic stall is important for flight vehicle, turbomachinery, and wind turbine applications. Due to the complicated flow physics of the dynamic stall phenomenon the industry has been forced to use empirical methods for its prediction. However, recent progress in computational methods and the tremendous increase in computing power has made possible the use of the full fluid dynamic governing equations for dynamic stall investigation and prediction in the design process. It is the objective of this review to present the major approaches and results obtained in recent years and to point out existing deficiencies and possibilities for improvements. To this end, potential flow, boundary layer, viscous–inviscid interaction, and Navier–Stokes methods are described. The most commonly used numerical schemes for their solution are briefly described. Turbulence models used for the computation of high Reynolds number turbulent flows, which are of primary interest to industry, are presented. The impact of transition from laminar to turbulent flow on the dynamic stall phenomenon is discussed and currently available methods for its prediction are summarized. The main computational results obtained for airfoil and wing dynamic stall and comparisons with available experimental measurements are presented. The review concludes with a discussion of existing deficiencies and possibilities for future improvements.     

GPU平台上的叶轮机械CFD加速计算

通过数据并行的方式对一个成熟的叶轮机多块网格气动计算程序(MAP)进行了并行化处理,利用计算统一设备架构(CUDA)技术实现了在图形处理单元(GPU)上的并行计算.保留了原程序中的2阶空间迎风格式和隐式时间离散格式,并采用了隐式迭代对线性系统进行求解.经过2个叶轮机械算例的测试,与在传统的中央处理器(CPU)上运行的原程序相比,在计算结果完全一致的前提下,单GPU的计算速度最高可达单CPU计算速度的8.89倍,与四核并行的CPU计算相比可以得到2.39倍的加速.     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(I)理论与实施方法

针对缘线匹配展开理论与实施方法探讨,分析了缘线匹配潜在效益,并给出缘线匹配的两种实施方法:基于非定常流动束缚于拟流回转面假设的基元流动展向积分方法和全优化方法。分析指出:缘线匹配具有通过沿展高调协叶轮机相邻叶排非定常流动相位关系实现气动、气弹、气动噪声和热传导性能全方位、多目标优化潜力,为叶轮机非定常设计提供了新的设计自由度。     

Aeroelastic stability of cascades in turbomachinery

State-of-the-art prediction of the aeroelastic stability of cascades in axial-flow turbomachines is reviewed. The first main chapter of the article presents a comprehensive formulation of the two- and three-dimensional classical (unstalled) flutter problem of tuned and mistuned rotor blade rows and bladed disc assemblies. Within the framework of linearized analysis, a complete and generalized theory in modal form is outlined, comprising the various formulations of the cascade flutter problem distributed in fragments throughout the literature. Brief outlines are also made of recent advances in unsteady aero-dynamic methods for turbomachinery aeroelastic applications. The second main chapter contains a parametric study of the classical flutter stability characteristics of compressor and turbine cascades in subsonic and supersonic flow. Stability boundaries and dominant trends in flutter behaviour are outlined, and the significant effects of blade mistuning on the aeroelastic stability of turbomachine bladings are highlighted.     

混合遗传算法及其在叶片自动优化设计中的应用

 在遗传算法中 ,采用单纯形法寻优取代变异运算构成混合遗传算法 ,以提高遗传算法局部搜索能力。算例表明混合遗传算法可有效提高搜索效率和对最优解的逼近程度。采用三次多项式和多圆弧方法生成叶型中弧线 ,三次多项式分布叶型厚度 ,对叶型进行参数化。将N S方程正问题流场数值计算与混合遗传算法相结合 ,构成叶轮机械叶型自动优化设计。尝试由气流转角、总压损失和叶型型面面积构成目标函数 ,对压气机叶型进行自动优化设计。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术

本文提出一种新的叶轮机气动设计自由度——缘线匹配技术。缘线匹配是指相邻两叶排中前排叶片后缘线与后排叶片前缘线的空间关系,更准确地说是其相位角关系。叶片尾缘线表征了叶片出口气流的分布型,它囊括了尾迹、激波、二次流等所有影响,另一方面,叶片前缘线代表了其对上游流场的势干扰。定常气动设计体系只能部分考虑叶片缘线的相互影响,大部分则被忽略了,然而在非定常框架下,相邻叶排缘线所代表的相互影响是显著的。本文首次提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配技术,并通过理论分析及直列涡轮叶栅的非定常数值模拟结果展示了缘线匹配技术在未来提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜在能力。作者认为,缘线匹配技术将使叶轮机的非定常气动设计具有真实而可操作的内容,是叶轮机非定常气动设计的核心技术之一。      

基于环量分布的轴流双级风扇三维数值优化

将通流设计程序和叶片造型程序引入到遗传算法同响应面模型相结合的优化系统中,调用流场模拟软件,搭建了三维轴流压气机叶片的优化平台.该优化技术有四个特点:一是为与现代设计系统相接轨,不同于常见的用纯几何方法生成叶片,采用了传统的反问题设计方法生成三维叶片;二是不同于直接优化几何参数,优化自变量选取了设计中具有物理意义的气动参数;三是针对多级压气机的优化,提出了逐级优化策略;四是在优化过程中引入了直观分析法.算例选取了环量分布作为优化自变量,对某轴流双级风扇进行了以极大化非设计点流量为目标的优化;又对其改型设计进行了以极大化设计点绝热效率为目标的优化.      

基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展

基于高可信度计算流体力学的数值优化设计方法，在提高飞行器气动与综合性能方面正发挥着越来越重要的作用。基于代理模型的优化算法（SBO），由于能够实现高效全局优化，逐渐成为了气动优化设计领域的研究热点之一。近20年来，代理优化算法研究已取得了长足进步，多种先进的新型代理模型被提出，优化理论和算法也不断完善和发展。以飞行器精细化气动优化设计为背景，综述了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展。首先，介绍了基于变可信度代理模型的气动优化设计方法、结合代理模型和伴随方法的气动优化设计方法以及基于非生物进化的并行气动优化设计方法的研究现状和最新进展。然后，针对飞行器气动优化设计学科领域的前沿问题，介绍了基于代理模型的多目标气动优化设计方法、混合反设计/优化设计方法、稳健气动优化设计方法的研究进展，以及基于代理模型的多学科优化设计方法的研究进展。文献综述表明，代理优化算法在设计效率、全局性以及鲁棒性等方面性能优良，已经发展到可以解决100维（100个设计变量）以内的气动优化设计问题，具有良好的工程应用前景。最后，探讨了基于代理模型的高效全局气动优化设计在理论、方法及飞行器设计应用方面所面临的问题和挑战，给出了未来研究方向的建议。     

Recent experience with different methods of drag prediction

During the recent past the process of engineering design has changed entirely because of rapid developments in computational simulations. In aerodynamic design, computational fluid dynamics (CFD) methods are slowly superseding empirical methods and design engineers are spending more and more time applying CFD tools to analyze and predict the aerodynamic characteristics of vehicles. The purpose of this paper is to review recent experiences in CFD-based drag prediction with an emphasis on flow solutions governed by the Euler and Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. For these types of flow solutions, various drag analysis methodologies are outlined and applied to determine the drag of components of as well as whole-body airplanes, helicopters, and ground-based vehicles at subsonic and transonic flow conditions. The review demonstrates that although significant progress has been made, CFD-based drag prediction still faces a number of hurdles that must be dealt with before it will become more widely accepted.     

基于优化技术的叶型反方法改进设计

在势流函数反方法设计叶型的过程中,通过分析叶片表面速度分布对叶型形状的影响规律,发现采用局部区域速度分布调整,可有效的克服以往反方法设计叶型中易出现的非物理解现象,并针对叶型前缘和尾缘的几何封闭问题分别建立了优化目标函数,借助流场求解中的优化迭代技术获得了具有良好气动性能并满足几何约束的叶型设计结果。对典型叶型的三个设计算例表明:所研究的叶型反问题优化设计方法,具有设计精度较高,适用范围较宽,工程应用性较好等优点。      

一种基于CFD的叶轮机非定常气动力组合建模方法

为了获得一个准确高效的非定常空气动力学模型并将其应用于叶轮机叶片颤振特性分析中去,论文发展了一种基于CFD方法的叶轮机非定常气动力组合建模方法,可以快速计算叶轮机叶片在等相角差振动时的气动阻尼系数。运用小扰动流场的叠加原理,通过不同通道数模型的非定常流场求解(通常需要两次或三次),针对流场的周期性边界条件,组合分析得到一系列更多通道数情况下的非定常气动力低阶模型。基于这种降阶模型计算的气动阻尼系数与直接的CFD方法计算结果吻合很好,计算效率提高10倍以上。     

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。     

利用Bezier样条曲线进行叶轮机可视化设计

叶轮机的叶型设计最终将决定叶轮机的性能,进行可视化的叶型设计,有利于有针对性地直接实施叶型局部优化,提高优化效率。本文基于Bezier理论,利用OpenGL作为图形图像的开发工具,开发了一套对叶轮机二维叶型进行可视化设计的软件,经优化设计前后的数值模拟比较,修型后的叶栅总压损失系数明显下降。表明该软件可以直观有效地应用于叶轮机设计。      

流体拓扑优化方法及其在叶轮机械中的应用

相比于结构拓扑优化,流体拓扑优化的发展较为滞后。为了促进流体拓扑优化在叶轮机械领域的应用,根据公开资料中的研究成果,首先介绍了该方法的理论基础,包括优化问题数学模型、流动控制方程及求解方法、灵敏度分析技术、优化不稳定问题的预防措施及几何重构方法。然后总结归纳了流体拓扑优化在叶轮机械气动热力学领域的研究现状,通过对涡轮叶片内部冷却结构、涡轮叶片叶顶结构以及离心压气机弯道设计的描述,指出该方法的技术优势。研究表明,相比于传统形状和尺寸优化方法,拓扑优化具有更高的设计自由度,且突破了结构参数化的限制,有助于挖掘具有优良性能的新型结构。最后,对流体拓扑优化方法在未来叶轮机械设计中的发展进行了展望。