轴流压气机气动性能数值优化方法研究

admin · 发表于昨天 20:49

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先进发动机的高性能指标对于风扇/压气机提出了更高的总压比、更高的效率、更少的级数和更宽的稳定工作范围的要求。鉴于计算机技术的飞速发展、计算流体力学在压气机气动研究和设计领域的日渐广泛应用，以及优化理论及工程优化方法的日趋完善，压气机数值优化方法在设计过程中已受到越来越高的重视。本文的工作主要就是围绕轴流压气机气动性能数值优化平台的建立以及气动优化策略的研究而展开。首先，自主发展了轴流压气机S1回转面叶型气动数值优化系统。在该系统中采用了遗传算法、响应面方法及均匀设计三者耦合的寻优方法，在可处理多极值题目的同时，保持了较低的计算量。通过若干算例的验证，表明了该S1叶型优化系统的有效性。作为本论文主要工作之一，自主开发了三维气动数值优化平台ACOPT。对于数值优化模块，针对压气机气动优化的特点对所使用的复合形法的寻优性能进行了数值研究，完成了相应改进，并探讨了在复合形法中加入鲁棒性设计概念的方法。叶片造型模块采用二维叶型截面根据参数化积叠线沿展向积叠的方式生成三维叶片。这种叶片的参数化方法在保留了传统的几何定义方法的同时，可灵活选择所需的优化变量。网格生成模块采用自主开发的多级叶轮机械气动数值模拟网格生成软件MTAGG，通过坐标变换以及合理的拓扑结构使其能快速生成高质量的结构化网格以满足各种形式压气机的CFD数值模拟。流场评估模块采用了作者参与的本组开发的多块结构化气动数值模拟软件MAP，并完成了并行化改进以大大提高其计算速度。优化平台的集成采用MPI并行编程技术，通过“通信器”的概念实现模块之间的控制和调度。此优化平台系自主开发，具有完全自主知识产权，结构开放，允许不断升级和扩充，具有高效、稳定、可移植性强等特点。多个算例表明，此优化系统可有效提高单级和多级压气机性能，优化所作的改进在物理机制上是可以解释的。在轴流压气机气动数值优化平台ACOPT上，针对四台轴流压气机开展了数值优化研究。优化对象分别为：某型单级轴流压气机的串列静子、某型5级风扇的末级静子、某型7级轴流压气机的中间级静子、以及某型4级轴流压气机的末级和中间多级静子。对上述个案进行研究的目的，首先是检验所建优化平台的实用性，更为重要的是研究在压气机数值优化中应采取的优化策略。论文提出了如下的优化策略基本思想，即压气机的优化，特别是多级压气机优化，必须紧密结合优化对象的具体流动物理实际，首先分析探寻流场的缺陷和薄弱环节，有重点、有针对性地进行优化，这是保证优化的成功和质量、大幅度降低计算机资源消耗的基本优化策略。基于以上思想，论文针对几种优化题目对优化变量、优化环境、优化目标、以及优化工作点的选择和定义等题目进行了研究，并给出了具体的优化策略。另外，通过对优化结果的分析，发掘了如何改进压气机流动的机理，以期能对压气机的类似设计提供具启示性的指导意见。针对单级轴流压气机串列静子优化的研究结果表明，在平面叶栅基础上总结的串列静子匹配方法在端壁区域不再适用，通过一定调整即可获得更优的气动性能。针对多级压气机中末级和中间级单排静子叶片的数值优化重点讨论了优化策略的制定方法，研究表明，数值优化中需要充分考虑转静子之间的相互影响，在级环境下的优化结果比单排优化更有效、并能保持良好的匹配性能；另外，对优化参数以及优化工作点应基于优化目标具体的流动特点进行选择，从而在可有效降低优化过程计算量的同时确保优化结果的质量和可靠性。本论文另一重要部分是研究利用重复级现象进行多级压气机优化，发展了反映重复级现象的上下游边界条件的给定和传输等一系列算法，实现了可只对多级压气机中的一级进行单级优化、而优化结果按照一定的规律“复制”给压气机其它级的优化方法，这样在保持各级匹配关系的基础上，可有效提高压气机的气动性能，从而实现多级压气机的整体优化，同时保证了整个优化过程的计算量只有单级优化的水平。相对于常规的逐级优化或整个多级一体优化方法，当压气机的级数越多，则本文提出的基于重复级的优化方法在计算量上的优势就越大。

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