風(fēng)扇-壓氣機三維氣動優(yōu)化設(shè)計方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、風(fēng)扇/壓氣機作為航空發(fā)動機中的重要部件，其性能的改進對發(fā)動機有著至關(guān)重要的影響。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷成熟，基于優(yōu)化理論的氣動設(shè)計方法逐漸興起并吸引了眾多學(xué)者進行研究與應(yīng)用。本文的工作就是從這一方面著手，建立可用于葉輪機械的全三維氣動優(yōu)化設(shè)計體系。
　　本文首先開發(fā)了可用于葉輪機械流場計算的基于三維N-S方程的流場求解程序，出于對優(yōu)化所需時間的考慮，采用常規(guī) H型網(wǎng)格、中心差分格式、B-L湍流模型，時間推進采用四階龍格-庫塔格式，

2、并加入局部時間步、隱式殘差光順、多重網(wǎng)格等加速收斂措施。應(yīng)用該程序?qū)ASA Rotor67和NASA Rotor37進行了流場數(shù)值模擬，得到了細致的流場結(jié)構(gòu)，詳細地分析了跨聲速風(fēng)扇/壓氣機轉(zhuǎn)子中的流動特點，并與實驗數(shù)據(jù)進行了比較，進而驗證了所開發(fā)程序的準確性，也為優(yōu)化體系的建立打下了基礎(chǔ)。
　　本文采用小生境技術(shù)、精英策略對簡單遺傳算法加以改進，然后通過無需罰因子的罰函數(shù)法的引入，使其能有效地處理有約束優(yōu)化問題，這一方法對無法通

3、過多次調(diào)試來獲得罰因子的耗時氣動優(yōu)化設(shè)計問題尤其有用。針對氣動設(shè)計問題多是多目標、有約束問題的特點，開發(fā)了基于Pareto方法的求解多目標有約束問題的遺傳算法。對另一種具有良好全局尋優(yōu)能力的智能優(yōu)化算法-模擬退火算法進行了研究及改進，有效地提高其尋優(yōu)速度。通過對概率接收公式的改進，可以使其有效的求解多目標優(yōu)化問題，從而滿足葉輪機械氣動優(yōu)化設(shè)計的需要。更進一步的改進概率接受公式，可以不需要任何參數(shù)的處理有約束的多目標優(yōu)化問題，并且顯示了其

4、與遺傳算法相比更好的尋優(yōu)能力。
　　采用B樣條曲線對葉輪機械葉片進行參數(shù)化，通過將其轉(zhuǎn)換為約束問題，與上述的遺傳算法、模擬退火算法結(jié)合，可以方便、準確地反求 B樣條曲線控制點，保證擬合精度，為進行葉輪機械的改型氣動優(yōu)化設(shè)計做好準備。
　　考慮到單純采用遺傳算法或模擬退火算法尋優(yōu)的流場評估次數(shù)數(shù)量巨大，提出了基于改進拉丁超立方體實驗設(shè)計的響應(yīng)面模型方法與遺傳算法、模擬退火算法結(jié)合構(gòu)成的高效、準確的具有全局尋優(yōu)能力的氣動優(yōu)化設(shè)計

5、體系。先采用Q3D優(yōu)化問題對其優(yōu)化性能與單純采用遺傳、模擬退火尋優(yōu)結(jié)果進行了對比，證明了其良好的尋優(yōu)能力，然后將其應(yīng)用于NASA Rotor67、NASA Rotor37兩套轉(zhuǎn)子的三維氣動優(yōu)化設(shè)計。分別考慮了中弧線、厚度分布、三維積迭形式對跨音風(fēng)扇/壓氣機動葉性能的影響。構(gòu)造了不同形式的三維葉片，并對其性能進行了詳細分析。采用該優(yōu)化設(shè)計體系進行了三維葉片的總壓比、絕熱效率等總體性能參數(shù)的多目標優(yōu)化設(shè)計，并與單目標優(yōu)化結(jié)果進行了對比，表明

6、了多目標優(yōu)化設(shè)計的重要性。更進一步，考慮到葉輪機械實際工作需要良好的變工況特性，而單一工況點的設(shè)計無法保證，采用該優(yōu)化設(shè)計體系初步進行了多工況點的優(yōu)化設(shè)計，并進行了分析。
　　在本文的最后一章，考慮到葉輪機械不可避免的多級相互作用的固有特性，指出了孤立單排葉片優(yōu)化設(shè)計的不足。對一跨聲速單級壓氣機進行了定常級環(huán)境下的動葉掠、傾斜與靜葉彎曲等自由度的復(fù)合優(yōu)化設(shè)計，分別進行了單工況點及多工況點的三維級氣動優(yōu)化設(shè)計，重構(gòu)了三維動葉與靜葉，