面向叶轮机气动形状精细设计的伴随方法及其应用研究

发布时间：2018-10-19 18:32

【摘要】：精细设计能够进一步提升叶片气动性能和负荷能力。但三维流场分析结合优化算法寻优的叶轮机气动形状设计方法在设计参数多时存在计算量大的问题。隶属于梯度法的伴随方法因计算量与设计参数数目基本无关,近年来在叶轮机气动形状设计领域受到重视。本论文对基于伴随方法的多级叶轮机气动形状设计方法进行研究,以期缩短设计周期,并为三维叶片精细设计提供技术支撑。包括五部分内容,具体如下： 1.一般敏感性模型比较了伴随方法与传统梯度法计算敏感性原理的异同。结果表明伴随方法的计算量相当于求解两倍的流动控制方程,具有较低的计算成本。进一步利用伴随方法经过代数运算推导了目标函数与设计变量的一般敏感性模型,获得伴随方程、伴随边界条件、敏感性的一般表达式。 2.叶轮机气动形状设计方法给出了正／反问题目标函数；由罚函数约束压比和流量以保持伴随方法低计算成本优势；选取不存在叶片重构问题的Hicks-Henne峰值函数作为叶片形状扰动参数化方法。在不影响附面层预测合理性的情况下,选用计算量较少的薄层简化粘性体力、壁面函数经验关系式和流动滑移固壁边界等细化一般敏感性模型。进而推导了封闭伴随方程求解所需的伴随排间掺混界面方法,实现多级叶轮机敏感性分析。结合最速下降法寻优,获得了基于伴随方法的多级叶轮机气动形状设计一体化方法,可用于多级叶轮机叶片排气动匹配设计。 3.叶轮机气动形状设计软件给定三维叶片形状扰动参数化方案,采用代数方法生成简单H型网格。利用时间推进法和有限体积法求解薄层简化N-S方程和伴随方程；根据特征速度传播方向给定边界条件；采用局部时间步长、多重网格和二阶／四阶光顺等方法加速数值求解收敛速度。借助复变函数方法,由流场和伴随场后处理计算敏感性值。结合最速下降法寻优,并由形状扰动参数化方法更新叶片几何。最终开发了多级叶轮机三维粘性气动形状设计软件,包含三个子求解器,分别求解薄层简化N-S方程、伴随方程和敏感性。 4.模型、方法及软件验证首先,以NASA35号跨音压气机级考核流场求解程序。其次,以涡轮环形叶栅和1+1/2级轴流压气机两个算例,选取反问题目标函数,分别由伴随方法和有限差分方法计算敏感性值。最后,再次以涡轮环形叶栅和1+1/2级轴流压气机两个算例实施反问题优化设计。结果表明,流场求解程序能够捕捉关键流动特征,且主要气动性能参数与试验值符合良好；伴随方法和有限差分法的敏感性值误差不超过10%,满足工程精度需求；反问题中优化后的叶型与目标叶型基本重合,且二者压力分布一致,由此验证气动形状设计方法及软件的有效性。 5.叶轮机气动形状精细设计应用探索在给定压比和流量下,叶轮机性能追求高气动效率。以进、出口质量平均熵增为目标函数,以压比和流量作为约束,初步尝试叶轮机三维叶片精细设计。算例包括NASA67号风扇转子叶片、NASA35号跨音压气机级、1+1/2级轴流压气机、5+1/2级跨音压气机、1+1对转涡轮前三排叶片。优化后绝热效率分别提高1.38、1.41、0.91、1.30和0.42个百分点,流量和压比大致在容许范围内。分析性能提升的机制,跨/超音流动中通过减小峰值马赫数、降低激波强度以及削弱流动分离等提高气动性能；亚音流动中通过改善攻角分布等减小流动损失。最后,总结论文工作,并对以伴随方法为核心的叶轮机气动形状设计发展趋势进行展望。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK14;TH45

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