基于CFD流场分析的多工况多约束条件的叶片优化设计方法与实验研究
发布时间：2021-01-09 18:38
随着全球市场竞争日益激烈,提高性能、降低研发成本和缩短设计周期的压力迫使叶轮机械设计工作者不断改进设计方法。近年来,CFD技术被广泛地应用于叶轮机械内部的三维粘性流场的数值模拟,其有效性逐步得到了研究者的肯定。同时,多种性能优良的优化算法也不断被推出。而计算机软硬件的飞速发展使得将CFD技术与优化算法相结合进行叶轮机械优化设计成为可能。本文着眼于叶轮机械叶片及叶轮的优化设计方法的实现,对相关优化设计算法进行了较为全面深入的研究。根据不同优化对象的特点,发展了适合叶轮机械叶片及叶轮的多工况多约束条件的优化设计方法,并将其成功地应用于相应的优化算例中。为了在计算时间与计算精度之间寻求良好的平衡,使CFD技术可以有效地应用于叶轮机械的气动优化设计,作者研究了叶轮机械定常流动数值模拟中RANS方程的空间离散形式与求解方法,阐述了代数Balding-Lomax模型、一方程Sparlart-Allmaras模型和标准k-ε模型的构造形式,并介绍了本文计算中遵循的收敛准则。以NASA Low Speed Centrifugal Compressor （LSCC）实验叶轮为研究对象,结合其试验结果,讨...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：192 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Eckardt叶轮出口处通流速度分布
上海交通大学博士学位论文 第一章 绪论受叶轮旋转的支配，尾迹流将出现在吸力面；在高罗斯比数的叶轮中，流道曲率对尾迹流起主要作用，这时尾迹流将出现在叶轮出口的轮盖侧。在上述 Eckardt 及 Ghost叶轮试验中，观察到的尾迹流均出现在叶轮轮盖和吸力面交界的角形区域，表明叶轮旋转和流道曲率对尾迹流的形成有相同的影响。
(a) 叶片中弧线 Bezier 曲线参数化 (b) 三维叶片 Bezier 曲面参数化图 1-3 叶片 Bezier 函数参数化[143]Fig.1-3 Bezier function representation of blade camber[143]1.5.2 叶片优化设计进展随着 CFD 技术在叶轮机械设计中的应用，叶轮机械设计水平得到了很大的发展，叶轮机械性能在不断提高，优化设计已成为重要的发展方向。对于叶轮机械优化问题，从空气动力学角度出发，最优的压力或速度分布、最小的熵损失、最大的做功能力/效率、流动分离的控制等都常常被作为设计的目标函数。而这些目标函数的获得，必须应用 CFD 技术。通过 CFD 技术，可以得到复杂形状物体的气动性能，可以减少甚至在一定条件下无需进行实验研究[150]。因此 CFD 技术在气动优化设计中起着非常重要的作用。然而，CFD 本身并不能提供对设计方案的修改，需要设计人员进行干预，从经验的角度对设计进行修改。如何利用 CFD 在满足一定约束条件的前提下，自动地寻找气动性能最好的外形设计，这就是数值优化设计要解决的问题。叶轮机械气动优化设计方法一般分为正问题设计方法和反问题设计方法，有时也
【参考文献】：
期刊论文
[1]多目标优化设计方法在翼型气动优化中的应用研究[J]. 王宏亮,席光. 工程热物理学报. 2008(07)
[2]全工况性能优化在压气机多级环境中的应用[J]. 陈志鹏,袁新. 工程热物理学报. 2008(02)
[3]AERODYNAMIC OPTIMIZATION FOR TURBINE BLADE BASED ON HIERARCHICAL FAIR COMPETITION GENETIC ALGORITHMS WITH DYNAMIC NICHE[J]. SHU Xinwei GU Chuangang WANG Tong YANG Bo School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2007(06)
[4]基于CFD紊流计算的离心泵叶型优化设计[J]. 杨华,谷传纲,汤方平,刘超. 扬州大学学报(自然科学版). 2007(03)
[5]离心压气机叶片扩压器气动优化设计[J]. 王志恒,席光. 工程热物理学报. 2007(03)
[6]叶轮机械气动优化设计中的近似模型方法及其应用[J]. 席光,王志恒,王尚锦. 西安交通大学学报. 2007(02)
[7]叶片前缘后掠对离心压气机性能的影响[J]. 杨策,胡良军,何永玲. 北京理工大学学报. 2006(11)
[8]基于NURBS的叶片全三维气动优化设计[J]. 陈波,高学林,袁新. 工程热物理学报. 2006(05)
[9]模拟退火算法与响应面模型在压气机动叶优化设计中的应用[J]. 伊卫林,黄鸿雁,韩万金. 动力工程. 2006(04)
[10]基于数值优化的跨音速压气机动叶三维设计[J]. 伊卫林,黄鸿雁,韩万金. 燃气轮机技术. 2006(02)
博士论文
[1]带无叶扩压器的离心压缩机失速现象的实验和数值研究[D]. 郭强.上海交通大学 2007
[2]叶轮机械中若干非定常流动特征的初步研究[D]. 王嘉炜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2006
本文编号：2967190
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：192 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Eckardt叶轮出口处通流速度分布
上海交通大学博士学位论文 第一章 绪论受叶轮旋转的支配，尾迹流将出现在吸力面；在高罗斯比数的叶轮中，流道曲率对尾迹流起主要作用，这时尾迹流将出现在叶轮出口的轮盖侧。在上述 Eckardt 及 Ghost叶轮试验中，观察到的尾迹流均出现在叶轮轮盖和吸力面交界的角形区域，表明叶轮旋转和流道曲率对尾迹流的形成有相同的影响。
(a) 叶片中弧线 Bezier 曲线参数化 (b) 三维叶片 Bezier 曲面参数化图 1-3 叶片 Bezier 函数参数化[143]Fig.1-3 Bezier function representation of blade camber[143]1.5.2 叶片优化设计进展随着 CFD 技术在叶轮机械设计中的应用，叶轮机械设计水平得到了很大的发展，叶轮机械性能在不断提高，优化设计已成为重要的发展方向。对于叶轮机械优化问题，从空气动力学角度出发，最优的压力或速度分布、最小的熵损失、最大的做功能力/效率、流动分离的控制等都常常被作为设计的目标函数。而这些目标函数的获得，必须应用 CFD 技术。通过 CFD 技术，可以得到复杂形状物体的气动性能，可以减少甚至在一定条件下无需进行实验研究[150]。因此 CFD 技术在气动优化设计中起着非常重要的作用。然而，CFD 本身并不能提供对设计方案的修改，需要设计人员进行干预，从经验的角度对设计进行修改。如何利用 CFD 在满足一定约束条件的前提下，自动地寻找气动性能最好的外形设计，这就是数值优化设计要解决的问题。叶轮机械气动优化设计方法一般分为正问题设计方法和反问题设计方法，有时也
【参考文献】：
期刊论文
[1]多目标优化设计方法在翼型气动优化中的应用研究[J]. 王宏亮,席光. 工程热物理学报. 2008(07)
[2]全工况性能优化在压气机多级环境中的应用[J]. 陈志鹏,袁新. 工程热物理学报. 2008(02)
[3]AERODYNAMIC OPTIMIZATION FOR TURBINE BLADE BASED ON HIERARCHICAL FAIR COMPETITION GENETIC ALGORITHMS WITH DYNAMIC NICHE[J]. SHU Xinwei GU Chuangang WANG Tong YANG Bo School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2007(06)
[4]基于CFD紊流计算的离心泵叶型优化设计[J]. 杨华,谷传纲,汤方平,刘超. 扬州大学学报(自然科学版). 2007(03)
[5]离心压气机叶片扩压器气动优化设计[J]. 王志恒,席光. 工程热物理学报. 2007(03)
[6]叶轮机械气动优化设计中的近似模型方法及其应用[J]. 席光,王志恒,王尚锦. 西安交通大学学报. 2007(02)
[7]叶片前缘后掠对离心压气机性能的影响[J]. 杨策,胡良军,何永玲. 北京理工大学学报. 2006(11)
[8]基于NURBS的叶片全三维气动优化设计[J]. 陈波,高学林,袁新. 工程热物理学报. 2006(05)
[9]模拟退火算法与响应面模型在压气机动叶优化设计中的应用[J]. 伊卫林,黄鸿雁,韩万金. 动力工程. 2006(04)
[10]基于数值优化的跨音速压气机动叶三维设计[J]. 伊卫林,黄鸿雁,韩万金. 燃气轮机技术. 2006(02)
博士论文
[1]带无叶扩压器的离心压缩机失速现象的实验和数值研究[D]. 郭强.上海交通大学 2007
[2]叶轮机械中若干非定常流动特征的初步研究[D]. 王嘉炜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2006
本文编号：2967190
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