Pareto遗传算法在气动外形优化中的应用

Pareto方法作为一种多目标优化方法,能够一次性获得优化问题对应的不同权重分配情况下的所有最优解集。它与遗传算法结合产生的Pareto遗传算法,是求解多目标优化问题的Pareto最优解集合的一种有效手段。本文将两种常用的Pareto遗传算法,MOGA方法和两支联赛遗传算法应用到气动外形优化中,针对具体算例进行气动外形的优化设计,得到了满意的优化设计结果。     

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。     

气动变量参数化的压气机转子三维数值优化

采用"试验设计+响应面模型+遗传算法"的优化设计体系,结合压气机设计常用的叶片造型程序和流场模拟软件,搭建了轴流压气机叶片三维优化设计平台,并对某涡喷发动机加零级压气机的零级转子进行了优化.优化目标为极大化转子的设计点绝热效率.约束条件为流量、增压比基本不变.分别以相对气流角和气流脱轨角作为优化自变量,进行了两个算例的优化.即为与现代设计系统相接轨,不同于叶片几何参数优化,取设计中具有物理含义的气动参数作为优化自变量.优化后的绝热效率分别提高了0.82和0.73个百分点.      

多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法

为提高多级轴流压气机气动性能,采用轴流压气机叶片全三维粘性反问题求解方法,对多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法进行了研究。以压气机级出口旋流角为设计目标,叶片表面载荷分布为设计对象,通过动量矩守恒方程,建立起叶片出口旋流角与叶片表面载荷分布的关系,从而实现计算过程中载荷的自动调整,修正气流在叶片出口旋流角分布。为了让压气机每一级都工作在设计给定的进口条件下,对上游级静子叶片进行反问题改型设计,使得其出口旋流角分布满足设计给定值。为了验证方法的有效性,采用四级高压压气机作为算例,对其初始设计进行反问题匹配改型设计。通过计算,修正了三个级间位置的旋流角分布,改善了下游级进口工作条件。气流在改型后压气机内部流动更加符合设计意图,级与级之间流动匹配更好。与原型相比,总压比和绝热效率分别提高了2.8%和1.3%,验证了方法的有效性。     

周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级预测分析

基于多级轴流压气机的逐级特性,发展了1种预测周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级的方法。该方法结合平行压气机模型和级叠加计算方法,以进气畸变条件下多级轴流压气机某级的有效相对气流角达到稳定状态时该级的最大相对气流角为条件,进行多级轴流压气机失速首发级的预测分析。通过对J85—13发动机8级轴流压气机总压畸变试验数据进行模拟计算,预测出该轴流压气机畸变条件下的失速首发级。     

超声速涡轮叶型全局气动优化设计

针对涡轮叶型全局优化设计计算时间长、样本空间大等难点提出一种可行的优化设计方法,该方法将控制叶型的17个参数作为优化变量,采用第二代多目标遗传算法进行全局自动寻优。基于此方法,搭建了涡轮叶型全局优化设计平台。利用此平台,分别采用轴向稠度固定和自由优化两种方式对超声速涡轮叶型进行了优化设计。数值计算结果表明,两组优化设计叶型在设计工况下总压损失系数比参考叶型分别低19.5%和10.0%,流道中的激波强度更弱,且在变工况条件下都具有较好的气动性能。深入分析流场与激波结构后发现,外尾激波相比于内尾激波对总损失的影响更大,通过减小气流膨胀转折角或内尾激波气流转折角能够有效削弱外尾激波强度。     

超燃冲压发动机可调尾喷管多目标优化设计

针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于试验设计方法和代理模型的可调尾喷管多目标优化设计方法,获得了尾喷管结构随马赫数和攻角变化的调节规律.以推力系数、升力系数和力矩系数为优化目标,以三次型线尾喷管为对象,采用遗传算法优化设计,得到Pareto最优解集;以一组Pareto最优解为基准在不同马赫数和攻角下进行尾喷管变结构设计优化,拟合得到尾喷管结构随马赫数和攻角的变化曲线.仿真结果显示了理论分析的正确性,并发现:变结构设计实现了尾喷管大范围高性能工作;尾喷管性能和几何参数,飞行状态参数均高度非线性,任一个改变都会影响其性能;采用试验设计方法和代理模型,能大大缩小优化设计时间,简化设计过程.     

高亚声速轴流压气机的优化叶型

基于计算流体动力学和数值优化算法,研究了一种压气机叶型优化设计方法.以入口马赫数为0.7的高亚声速轴流压气机叶型为研究对象,采用拉丁超立方实验法选取优化变量并构建了考虑攻角特性的目标函数,通过引入Gamma-Theta转捩模型,考虑了附面层转捩的影响,最终获得了可以有效改善攻角特性和降低总压损失的高亚声速轴流压气机优化叶型.计算结果表明:优化叶型可以显著降低入口马赫数为0.2~0.8时+4°和-4°攻角的总压损失,使设计工况(入口马赫数为0.7)下的低损失攻角增加4°以上,优化叶型最佳稠度降低20%并改善低雷诺数时叶栅的流动特性.      

高马赫数超声压气机转子叶型优化设计

为进一步提高压气机叶尖轮缘速度和增压比,将唯一进气角原理和数值最优化技术用于叶型设计,获得两个高马赫数、高压比、低损失的“S”形超声压气机叶型。首先根据压气机流动机理,提出超声压气机叶栅的性能指标;然后通过吸力面叠加厚度的方式生成初始叶型,保证叶栅的来流马赫数和唯一进气角;最后采用基于修改量的叶型参数化方法,以给定总压比为约束条件,以总压损失系数最小为目标对初始叶型优化。设计结果表明:在设计点,叶栅1和叶栅2的总压损失系数分别为0.119和0.158;在高来流马赫数条件下,超声叶栅需采用大稠度设计才能实现多道斜激波加一道正激波增压;在叶型吸力面前端构造一个斜坡也可增加叶栅通道内的斜激波数量;平直的吸力面后段有利于削弱激波对附面层干扰,将平直吸力面后段与钝尾缘(或翘尾缘)相结合可有效抑制附面层分离,减小尾迹区。     

基于多目标遗传算法的再入飞行器气动布局优化

本文采用多目标遗传算法来确定再入飞行器气动布局优化问题的Pareto最优解集，并和传统的多目标优化方法（加权和方法、约束法）进行比较。通过计算表明，多目标遗传算法能够在一次运行中搜索到优化问题的近似Pareto最优解集，这为飞行器设计得进行目标折衷决策提供了充分的依据。     

借用优化概念构造多级轴流压气机流场诊断方法

提出一种诊断方法, 只要测量了多级轴流压气机的进出口流场及外端壁若干个静压值, 在不依赖于任何叶片排的冲角和落后角以及计算站的堵塞因子的经验系数或模型的情况下, 就能够诊断出多级轴流压气机的重要部位流场参数的径向分布。方法本身不受设计工况和非设计工况的限制。      

Integrated design of topology and material for composite morphing trailing edge based compliant mechanism

The morphing trailing edge based compliant mechanism is a developing technology which can increase lift-drag ratio for variable flight modes by bending down the trailing edge. Composite material design is integrated into topology optimization for the morphing trailing edge based compliant mechanism in the paper. A two-step optimization strategy is established to solve the integrated design problem. Initially, lamination parameters are introduced and viewed as a bridge between structure stiffness and fiber angles for composite material. Design variables include the lamination parameters and element density. The least-squares between actual and desired displacements at output points along trailing edge is adopted to evaluate the deformed capability of the trailing edge. An integrated optimization model for the composite morphing trailing edge is established with the volume constraints. The optimal topologic shape and lamination parameters are initially obtained. Subsequently, a least-squares optimization between fiber angles and the optimal lamination parameters is implemented to obtain optimal fiber angles. Finally, morphing capability of composites trailing edge based compliant mechanism is investigated by simulation and experiments. The results indicate the composites trailing edge based compliant mechanism can approximately bend down 8 degrees and satisfies the design requirement.     

基于Kriging代理模型的单边膨胀喷管尾缘切角优化

在设计点落压比25和非设计点落压比15条件下,对单边膨胀喷管（SERN）不同尾缘切角模型进行了三维数值模拟,并采用Kriging代理模型以SERN轴向推力系数为目标,对尾缘切角进行多目标优化。研究结果表明:尾缘切角会影响SERN后气体的膨胀,增强流动的三维效应,恰当的尾缘切角会使SERN后气体更充分膨胀,有利于提高SERN的轴向推力系数,改善SERN的性能;通过优化,SERN的轴向推力系数由0.94达到了0.975以上,比优化之前提高了约5%,基于Kriging代理模型的SERN优化方法是有效的。      

跨声速离心压气机多部件耦合优化扩稳

基于最优拉丁超立方采样、多项式代理模型、傅里叶幅值敏感性试验、梯度变异混合优化算法构建了跨声速离心压气机耦合优化方法,实现了自循环机匣处理扩稳的同时不降低等熵效率的目标。耦合优化后压气机气动性能全面提升,设计点和近失速点的等熵效率分别提高2.79%、1.82%,且峰值效率略高于实壁机匣压气机。耦合优化扩稳增效的机理是：自循环机匣抽吸流量增大,更多低能流体被移除;叶轮入口攻角改善,流动分离风险减小;前缘激波与叶尖泄漏涡干涉被抑制,叶轮下游低能流体减少,周向均匀性增强;机匣回流槽入射角增大,叶轮入口径向畸变被削弱;叶轮叶片尾缘安装角及扩压器有叶段尾缘半径的增大弥补了等熵效率损失;叶轮叶片前缘后掠角减小弥补了堵塞流量。     

多段翼型失速分离特性的计算

本文用高阶奇点分布板块法(Panel Method》及边界层理论,对多段翼型的失速性能进行计算。采用分离尾迹的模型,按尾迹是流线用迭代法求出分离尾迹边界(此为内迭代)。在尾迹上配置奇点,然后把尾迹考虑在内进行粘/位流迭代(此为外迭代)。收敛后可得多段翼型空气动力特性,且可计算到失速以后的情况。算例有单段翼型GA(W)-1,NACA 4412,和F111飞机的三段翼剖面,所得结果与实验值能很好地符合。     

不同喷口修形的二元收敛喷管RCS数值模拟

用等效棱边电磁流(EEC)方法和物理光学迭代(IPO)法自主开发了计算程序,用来分析不同尾缘修形喷管的雷达散射特性;在计算中考虑喷管出口边缘的绕射场对雷达散射截面(RCS)的影响;提出了一种高效的判断面元间遮挡关系的算法和喷管出口轮廓线的辨别方法;在此基础上,研究了四种不同喷口修形的二元收敛喷管的RCS特性.结果表明:该开发程序具有较好的计算精度;适当的喷口修形可降低重点姿态角下喷管的RCS.      

应用多目标遗传算法的叶栅气动优化设计

采用Pareto排名策略和共享小生境技术, 实现遗传算法的多目标优化设计.叶栅的气动性能通过求解二维Navier-Stokes方程获得.本文中压气机叶栅的多目标优化确定为在给定条件下同时追求高增压比和低总压损失系数.优化设计获得的Pareto解集显示出本文发展的优化设计平台能够较好的实现多目标的气动优化设计.      

一种前后缘连续变弯度翼型气动特性分析

提出了一种基于厚度不变的翼型前后缘连续偏转变形规律,并以NACA0015翼型为例,实现了翼型变弯度的参数化。以柔性伸缩蒙皮支撑结构和机械结构实现了可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型,验证了变形规律。以前后缘偏转角度为参数,计算并分析了各个变形状态下翼型扰流流场和气动特性,讨论了变形参数对气动特性的影响,研究了气动特性的产生机理。研究结果表明:在大迎角下,前缘偏转角对翼型失速有一定的抑制作用;在中小迎角范围内,翼型升阻比随着后缘偏转角的增大而增大,且不论迎角如何变化,总可以通过前后缘偏转来获得较高的升阻比。     

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.      

Numerical determination of the gas-dynamic behavior of vane cascades with various deflection angles of the trailing edges of longitudinal ribs of an advanced gas-turbine engine thrust reverser

The work comprises numerical investigation of the influence of the deflection angles of the trailing edges of longitudinal ribs on the gas-dynamic behavior of vane cascades of a thrust reverser located in the secondary flow of a bypass turbofan engine (BTFE). Verification of the numerical model was performed on the basis of experimental research.