基于NUMECA和iSIGHT的叶轮机械三维气动优化设计的研究

发布时间：2020-07-01 02:59

【摘要】： 叶栅作为叶轮机械热功转换的基本单元,其气动设计理论与设计方法的研究,一直是国内外叶轮机械气动热力学领域关注的重点。随着计算流体力学和现代优化计算方法的飞速发展,叶轮机械的优化设计技术得到了快速发展。但是叶轮机械的气动优化设计仍然是一个具有挑战性的研究领域。本论文基于商业软件NUMECA和iSIGHT优化平台开发了一个适用于于叶轮机械的全三维优化设计系统,主要开展了以下几个方面的工作: 首先,使用NUMECA软件包中的Autoblade和Autoblade_fitting模块将参考叶片进行参数化。将叶片积叠线用双角度控制曲线进行拟合,选取了五个关键截面,每个截面叶型采用with endline的构造线定义模式来定义,中弧线定义为由四个控制参数构造的4次Bezier曲线,压力面和吸力面都是关于中弧线的B样条曲线。这为后续优化设计工作提供了优化设计变量。其次,研究了NUMECA与iSIGHT的集成问题,将三维流体力学计算软件与优化平台相结合,开发出一个三维气动优化系统。系统包括三大部分:几何模型控制模块、网格自动生成模块、数值计算模块。再次,提出和实现了适用于叶轮机械全三维设计的组合优化方法。该组合优化方法分为4个阶段:对变量使用正交矩阵法进行试验设计(DOE)分析阶段、自适应模拟退火算法(ASA)全局搜索阶段、响应面(RSM)近似建模阶段,以及RSM和序列二次规划法(NLPQL)相结合的局部寻优阶段。通过采用DOE方法,深入研究了设计变量的变化如何影响目标函数和约束,获取设计空间性质,抓住优化问题的主要矛盾,减小了叶片气动优化问题的规模;对于叶轮机械叶片气动优化这种非线性多峰优化问题,单纯采用某种常规的数值优化算法不能够有效得到全局最优解,通过采用ASA法进行全局搜索是得到初始近似全局解的有效途径;通过RSM方法拟合复杂的响应关系,平滑设计空间“噪声”,防止数值优化方法陷入局部极值点,从而获得了良好的鲁棒性和适应性;在局部寻优阶段,采用了全三维流场数值模拟程序对近似模型进行校正,用NLPQL方法对近似模型进行局部寻优,既保证了气动性能分析的精度,又大大减少了实际数值模拟的总计算时间。最后,使用本文所开发的优化系统,以某级动力涡轮叶片为参考叶片,对其进行了三维气动优化设计。优化设计结果表明,优化叶片的气动性能较参考叶片明显提高。表明本文的气动优化设计方法,是获得低损失高性能叶片的有效途径。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH122
【图文】：

流程图,参数模型,叶型,二维

Pierret.5.等人提出了采用B样条构造二维叶型，采用人工神经网络和 ZDNaVier一StokeS流场数值模拟程序组合的叶片优化系统，并成功的应用在压气机二维叶型的设计优化中。图1.2是他们采用的二维叶片参数化模型。图1.3是该系统的流程图，其气动优化设计的步骤为:吮艺i“e雌。亡卜亡之ioe一、rv件:’:份1呼嵘玩zier~、介图1.2二维叶型参数模型性性能要求求 PPPt，声:，刀万Rez众卜 ... JJJL何适烈烈烈烈烈烈烈烈烈烈烈烈烈刊刊“卜卜卜卜卜数取库库刊刊刊刊’.’优价.卜扦扦扦扦扦扦扦扦扦扦扦扦 4444444444444444411经网路 ANNNN优优优优化化化化州。 ...... }}}}}}}}}}}}}}}学渊习卜渊学学学习习习 NNN:，ie一、 5to睑‘50]v‘了了叶叶片饮能评价价图1.3基于神经网络、CFD和优化算法的二维叶片设计优化系统流程图

流程图,叶片设计,优化系统,优化算法

神经网络和 ZDNaVier一StokeS流场数值模拟程序组合的叶片优化系统，并成功的应用在压气机二维叶型的设计优化中。图1.2是他们采用的二维叶片参数化模型。图1.3是该系统的流程图，其气动优化设计的步骤为:吮艺i“e雌。亡卜亡之ioe一、rv件:’:份1呼嵘玩zier~、介图1.2二维叶型参数模型性性能要求求 PPPt，声:，刀万Rez众卜 ... JJJL何适烈烈烈烈烈烈烈烈烈烈烈烈烈刊刊“卜卜卜卜卜数取库库刊刊刊刊’.’优价.卜扦扦扦扦扦扦扦扦扦扦扦扦 4444444444444444411经网路 ANNNN优优优优化化化化州。 ...... }}}}}}}}}}}}}}}学渊习卜渊学学学习习习 NNN:，ie一、 5to睑‘50]v‘了了叶叶片饮能评价价图1.3基于神经网络、CFD和优化算法的二维叶片设计优化系统流程图

【引证文献】