跨音速可控扩散叶型叶栅设计与分析

使用可控扩散叶片设计系统设计了一套跨音速平面叶栅，并进行了正问题计算和附面层分析。结果表明，可控扩散叶型能够通过控制吸力面的马赫数峰值和扩散度分布，达到消除激波和推迟附面层分离的目的，与同样设计条件下的多圆弧叶型比较，具有更好的性能。     

多级压气机中可控扩散叶型研究的进展与展望 第一部分 可控扩散叶型的设计与发展

可控扩散叶型(CDA)的优化设计是目前国外对亚音、跨音速压气机叶型研究的主要内容之一。本文对CDA研究的必要性、CDA产生的背景、第一代CDA和考虑端部流动的第二代CDA的特点及设计方法进行了综述。CDA起源于超临界机翼翼型,通过控制吸力面的扩压过程,消除或减弱激波、降低损失、增加可用冲角范围。围绕这一设计准则和目标,提出了很多设计方法,归纳起来主要有反问题设计方法和正问题设计方法。国内对CDA的研究起步较晚,且大都集中在理论和设计方法的研究上。      

多级压气机中可控扩散叶型研究的进展与展望 第一部 分可控扩散叶型的设计与发展

可控扩散叶型（CDA）的优化设计是目前国外对亚音、跨音速压气机叶型研究的主要内容之一。本文对CDA研究的必要性、CDA产生的背景、第一代CDA和考虑端部流动的第二代CDA的特点及设计方法进行了综述。CDA起源于超临界机翼翼型，通过控制吸力面的扩压过程，消除或减弱激波、降低损失、增加可用冲角范围。围绕这一设计准则和目标，提出了很多设计方法，归纳起来主要有反问题设计方法和正问题设计方法。国内对CDA的研究起步较晚，且大都集中在理论和设计方法的研究上。     

可控扩散叶型叶栅三维流动的试验研究

本论述了对大弯度可控扩散叶型叶栅三维流场进行的试验研究情况，试验中利用小型五孔探针测量了栅后两个截面全叶展的气流参数。在叶片表面沿展向开4排孔测量了不同叶高处表面压力分布，并对端壁进行了流动显示，通过试验了解了叶栅三维流动和通道涡的情况以及叶型负荷、叶栅损失与气流转折角的展向分布规律，此项工作的目的是为研究第二代可控扩散叶型作技术储备。     

可控扩散叶型的扩稳优化

采用正问题方法,将叶型几何参数化、叶型性能分析程序与遗传算法相结合,对某传统可控扩散叶型（CDA）进行叶型损失和攻角范围的综合性能优化设计。结果表明:优化叶型与原叶型具有相近的设计点损失,而其攻角范围由原来的11°增大至17.5°,其中负攻角范围增大了近4.5°。另外,优化叶型的损失随攻角变化也更为平缓,意味着可以在更为宽广的攻角范围内保持稳定的性能。分析表明:吸力面速度峰值位置由原叶型40%弦长处前移至20%弦长处,增加了减速区的长度,使减速更为平缓,是正攻角裕度增大的主要原因。负攻角裕度增加有两方面原因,优化叶型喉道面积增大且喉道位置与设计点吸力峰值位置错开,具有较大的堵塞裕度;压力面前部区域速度较为平缓,甚至略微加速,直至30%弦长后才开始减速扩压,避免了因压力面前缘处的较大速度尖峰以及随后的持续扩压导致附面层的过早分离。      

压气机可控扩散叶型研究的回顾和展望

本叙述了国内外要控扩散叶型的各种设计方法和实验研究情况，介绍了可控扩散叶型的发展历史及它在多级轴流压气机中的应用，并提出了今后的发展方向。     

多级压气机中可控扩散叶型研究的进展与展望 第二部分 可控扩散叶型的实验与数值模拟

目前 ,大量的可控扩散叶型 (CDA)已设计应用于多级轴流压气机中。通过亚音、跨音叶栅实验 ,证明了在可比的气动设计条件下 ,CDA叶栅可以达到更高的临界马赫数、更大的冲角范围和更高的负荷。通过单级或多级测试 ,CDA提供了更高的效率、更高的负荷、且易于进行级间匹配 ,并最终减少研发费用 ,提高喘振裕度 ;由于 CDA叶型具有增厚的前缘和尾缘 ,这为压气机寿命的提高提供了保证     

可控扩散叶型与双圆弧叶型实验对比研究

为对比不同压气机叶型的流动特征,在高亚声速平面叶栅风洞内对相同设计速度三角形的可控扩散叶型和双圆弧叶型进行了平面叶栅实验,对两套叶型的表面马赫数、尾迹总压等参数分布进行了测量。实验结果表明:设计点可控扩散叶型总压损失比双圆弧叶型小近1倍,出口气流角小2.0°;在吸力面气流分离前,出口气流角随攻角和马赫数变化小于1.0°,尾迹核心区位置保持不变;双圆弧叶型吸力面近尾缘存在一定区域气流分离,受分离区影响,随进口马赫数增加,出口气流角变化达到4°,尾迹核心区移动了近20%栅距。     

一种叶轮机三维叶型黏性反问题方法

提出了一种应用于叶轮机三维叶片气动设计的黏性反问题方法,该方法将叶片表面边界视为是运动的壁面,通过建立并求解壁面法向动量方程,从而可根据给定的压力分布或压力面与吸力面之间的压力差分布直接求解叶型几何.结果表明:该方法可与定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)模拟配合进行求解,鲁棒性强、计算耗时短,且符合真实黏性流动环境,无需对叶型进行黏性修正.算例验证结果显示,该方法在单排和多排叶片环境下都能获得反问题解,计算稳定性和收敛性良好.      

低雷诺数效应对某可控扩散叶型性能的影响

为研究雷诺数效应对叶栅流动的影响,对某可控扩散叶型的平面叶栅流动进行数值模拟,计算在叶弦雷诺数分别为1×106,7.7×104,1.6×104,7.2×103和3.4×103条件下的不同攻角的流动情况,研究雷诺数对叶栅总压损失系数和攻角特性的影响。对叶栅性能和流场特性进行了分析,结果表明随着雷诺数的降低,叶栅流动的总压损失系数不断上升,低损失攻角范围逐步减小。      

翼型的气动最优化设计方法和反设计方法＊

本文将数值优化方法同计算流体动力学（ＣＦＤ）相结合,形成两种跨声速翼型的气动设计方法,即：最优化方法和反设计方法。采用求解Ｅｕｌｅｒ方程的有限体积法计算流场,通过结合优化算法,从正反两个方向对跨声速翼型进行气动优化设计。实例证明它们是翼型气动设计的有效方法,有较高的工程应用价值。     

翼型的气动最优化设计方法和反设计方法

本文将数值优化方法同计算流体动力学(CFD)相结合,形成两种跨声速翼型的气动设计方法,即:最优化方法和反设计方法.采用求解Euler方程的有限体积法计算流场,通过结合优化算法,从正反两个方向对跨声速翼型进行气动优化设计.实例证明它们是翼型气动设计的有效方法,有较高的工程应用价值.     

改进型Gappy POD翼型反设计方法

 为了提高基本Gappy本征正交分解(POD)翼型反设计方法的精度,在原始方法快照采样过程中,调整参数化方法,并用已产生翼型中压力分布最接近目标压力分布的翼型替换基础扰动翼型,形成最优快照替换采样法。在迭代求解阶段,根据迭代产生的压力分布与迭代产生的翼型实际压力分布之间的误差,引入校正快照,并据此调整目标压力分布,形成校正迭代法。实际算例表明,最优快照替换采样法所采集快照张成的空间较原始采样法更接近设计目标。而校正迭代法较原始迭代法能明显提高反设计精度。但最佳模态数量的选择对于Gappy POD翼型反设计方法仍然是一个难点。     

高负荷风扇转子叶片反问题设计

为改进高负荷风扇转子性能,采用了一种工程适用的叶片反问题设计方法。该方法使用粘性CFD与数值优化相结合,适合具有高进口马赫数、高逆压梯度流动特征的高效叶型设计,并应用二维叶型反问题加三维积叠的叶片设计思路,充分继承了已有的基元叶型积叠准则,极大地缩短了计算时间。利用发展的反问题设计平台,完成了叶片的反问题设计。三维数值模拟结果表明:反问题设计的转子叶片能较好地控制转子尖部激波结构,减小激波损失,提高效率,增大稳定裕度。     

一种基于共轭方程法求解黏性反问题的简化方法

 对于给定压力分布的黏性气动反问题,考虑到壁面微小扰动造成的压力变化主要由势流作用引起,因此可以简化用以获得目标函数对设计变量敏感性导数的共轭方程。将黏性流场插值到粗网格中作为彻体力模型方程的解,则其相应的共轭方程将以简单的源项取代原方程中复杂的黏性项。由于在粗网格中求解,网格数减少,同时收敛速度加快,简化的共轭方程计算时间可以减少到黏性方程的十分之一。典型的算例结果表明,对于附着的边界层流动简化方法计算得到的敏感性导数具有较高的精度,能够有效完成反问题设计且减少总的计算耗时。     

前缘形状对可控扩散叶型性能影响

采用改进的形状函数变换技术(CST)造型方法对一个可控扩散叶型(CDA)的前缘进行优化设计,实现了叶片前缘与叶身连接之间的曲率连续,消除了设计状态下叶片前缘速度尖峰,使得叶片的气动性能得到了显著改善.利用不同的形状函数生成不同的曲率连续前缘,叶型的最小损失相同,可用攻角范围的差别却很大.研究表明,这是由于前缘速度尖峰在非设计工况下的发展变化过程不同造成的.过强的前缘尖峰会导致附面层迅速增厚甚至提前转捩.     

基于Euler方程的直升机旋翼翼型反设计方法

直升机旋翼流场的求解和贴体网格的生成是进行旋翼翼型反设计的关键,本文采用Euler方程求解直升机旋翼翼型流场,并通过求解泊松方程生成围绕翼型的网格.在此基础上,结合线化二维亚音速和超音速流的小扰动理论,采用MGM方程作为反设计方程,基于有限差分方法建立一套直升机旋翼翼型反设计的迭代方法.在给定的目标压力分布条件下,与CFD方法相结合,反设计得出满足要求的翼型,并与目标翼型吻合良好,表明本文建立的翼型反设计方法能够有效地用于直升机旋翼翼型设计.     

结合FLUENT软件的叶型粘性逆命题气动设计方法

为了有效解决粘性条件下的反问题,发展了一种满足粘性假设的逆命题气动设计方法,并将其通过UDF与FLUENT软件结合,构建了逆命题设计平台。该方法给定叶型的目标压力分布,采用目标和当前压力分布的差计算出网格变形量修正叶型,直到获得满足目标压力分布的型线。采用本平台对一组抛物线叶栅进行计算验证,之后完成了涡轮叶栅的重新设计。抛物线和涡轮叶栅的逆命题计算结果的压力分布均与目标吻合良好,证明了本平台的有效性。逆命题计算后压力残差下降约85%~95%,计算时间约为分析计算的4~7倍。     

基于参数敏感性分析的反设计方法

在基于类别形状函数变换(CST)的反设计方法中,通过考察CST参数化与反设计过程,完成了基于参数敏感性分析的反设计,实现了翼型的快速、准确反设计;研究了Bernstein多项式阶数进化对反设计过程敏感性的影响。研究结果表明,在亚音速状态下,采用反设计方法能使设计压力分布较好逼近目标压力分布;在跨音速状态出现激波时或在计算过程出现迭代发散时,加入阶数进化手段后的敏感性分析方法能改善激波区域的敏感度,使迭代较好收敛。方法能够反映各种光滑翼型压力残差和翼型几何外形改变的关系,在给定状态下用初始翼型快速且比较准确地拟合目标翼型。     

基于时间谱方法的振荡翼型和机翼非定常黏性绕流数值模拟

 传统的双时间方法在非定常计算中长时间的过渡迭代推进求解导致其计算效率相对较低,针对周期性非定常流动问题的流动特征,发展了一种基于离散傅里叶变换的高效时间谱方法,用于求解振荡翼型和机翼的非定常黏性绕流。在时空耦合的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的求解中,对流项的离散应用了Roe的通量差分格式,物理时间项的离散方法为时间谱方法,伪时间推进采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式。考虑到湍流的时空耦合效应,时空耦合的Spalart-Allmaras一方程湍流模型的物理时间项同样采用时间谱方法进行离散。为了进一步提高计算效率,当地时间步长和多重网格技术等加速收敛的措施均被采用。算例对俯仰振荡NACA0012翼型和Lann机翼的周期性非定常流场进行了数值计算。结果表明:对于周期性非定常流场的数值模拟,相比于传统的双时间方法,用时间谱方法近似物理时间项,不仅能够提高流场的计算精度,而且更能够大幅度提高计算效率。