基于CFD流場分析的多工況多約束條件的葉片優(yōu)化設計方法與實驗研究.pdf

1、隨著全球市場競爭日益激烈,提高性能、降低研發(fā)成本和縮短設計周期的壓力迫使葉輪機械設計工作者不斷改進設計方法。近年來,CFD技術被廣泛地應用于葉輪機械內(nèi)部的三維粘性流場的數(shù)值模擬,其有效性逐步得到了研究者的肯定。同時,多種性能優(yōu)良的優(yōu)化算法也不斷被推出。而計算機軟硬件的飛速發(fā)展使得將CFD技術與優(yōu)化算法相結(jié)合進行葉輪機械優(yōu)化設計成為可能。本文著眼于葉輪機械葉片及葉輪的優(yōu)化設計方法的實現(xiàn),對相關優(yōu)化設計算法進行了較為全面深入的研究。根據(jù)不同

2、優(yōu)化對象的特點,發(fā)展了適合葉輪機械葉片及葉輪的多工況多約束條件的優(yōu)化設計方法,并將其成功地應用于相應的優(yōu)化算例中。
　　 為了在計算時間與計算精度之間尋求良好的平衡,使CFD技術可以有效地應用于葉輪機械的氣動優(yōu)化設計,作者研究了葉輪機械定常流動數(shù)值模擬中RANS方程的空間離散形式與求解方法,闡述了代數(shù)Balding-Lomax模型、一方程Sparlart-Allmaras模型和標準k-ε模型的構造形式,并介紹了本文計算中遵循的收

3、斂準則。以NASA Low SpeedCentrifugal Compressor(LSCC)實驗葉輪為研究對象,結(jié)合其試驗結(jié)果,討論了湍流模型和網(wǎng)格等因素對計算結(jié)果的影響,為后續(xù)優(yōu)化設計中湍流模型與網(wǎng)格的選取提供指導。
　　 本文發(fā)展了一套基于CFD流場分析的多工況多約束條件的葉片優(yōu)化設計方法。針對優(yōu)化對象計算成本和優(yōu)化工況或目標多少的不同,該方法可以靈活地發(fā)展成適合其具體特征的優(yōu)化設計方法,本文將該優(yōu)化方法分別應用于平面葉柵

4、的單、多工況多約束條件優(yōu)化設計、帶分流葉片的離心葉輪優(yōu)化設計單目標多約束條件和某一工業(yè)用超低比轉(zhuǎn)速離心鼓風機葉片的多工況多約束條件優(yōu)化設計中。
　　 為實現(xiàn)上述優(yōu)化方法,根據(jù)優(yōu)化對象的不同特點和要求,發(fā)展了相應的實現(xiàn)算法。發(fā)展了適于葉柵和離心壓縮機/鼓風機葉型參數(shù)化方法,大大減少了優(yōu)化的設計變量；提出了并行神經(jīng)網(wǎng)絡算法,其映射質(zhì)量和訓練效率較傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡算法有較大的提高；為避免基本遺傳算法存在的早熟或陷入停滯現(xiàn)象等問題,受自然界

5、和人類社會進化現(xiàn)象的啟發(fā),發(fā)展了一種新的遺傳算法-改進的等級公平競爭遺傳算法HFCGA-DN；發(fā)展了改進的INSGA-Ⅱ算法,將分布函數(shù)引入NSGA-Ⅱ算法中,提高了多目標Pareto遺傳算法的多樣性；并將上述算法與試驗設計方法和CFD技術通過發(fā)展的數(shù)據(jù)接口有機地連接起來。
　　 針對某二維透平葉柵優(yōu)化問題,以極大化其升阻比作為優(yōu)化目標函數(shù),以葉柵的幾何進出口角不變,葉柵截面的面積不小于初始葉型的20％和優(yōu)化葉型阻力系數(shù)不大于初

6、始葉型為約束條件,運用本文針對平面葉柵發(fā)展的單目標優(yōu)化設計方法對葉柵進行優(yōu)化設計。從氣動力積分的結(jié)果來看,優(yōu)化葉柵的氣動阻力比初始葉柵減小3.2％,升阻比增加了8.3％。
　　 針對某帶分流葉片的離心壓縮機葉輪,以極大化其等熵效率作為目標函數(shù),以流量和總壓比不小于初始葉輪為性能約束條件和葉輪參數(shù)設定的變化范圍為幾何約束條件,運用本文發(fā)展的基于近似模型的單目標多約束優(yōu)化方法通過改變輪轂、輪緣型線和葉片形狀對初始葉輪進行了優(yōu)化設計。

7、優(yōu)化后葉輪的等熵效率較初始葉輪提高了1.06％,同時總壓比也提高了0.52％。
　　 以極小化上述透平葉柵三個工況點的總壓損失系數(shù)為目標函數(shù),同樣以葉柵的幾何進出口角不變,葉柵截面的面積不小于初始葉型的20％為約束條件,運用本文發(fā)展的基于近似模型的多目標Pareto類優(yōu)化設計方法對葉柵進行優(yōu)化設計。優(yōu)化后葉柵的目標函數(shù)在i=-10°,0°,10°的三個工況點分別比初始葉柵下降了8.31％、8.43％、8.52％。
　　

8、根據(jù)某一工業(yè)用超低比轉(zhuǎn)速離心鼓風機葉片的特點和性能要求,提出了楔形葉片的設計概念,發(fā)展了一套基于近似模型的鼓風機葉型葉片的多工況多約束優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法的目標函數(shù)是極大化在三個指定工況點上的總壓升,性能約束條件是效率和流量分別不小于初始葉型值,幾何約束條件是設計變量的變化范圍。為驗證優(yōu)化前后葉型的性能,將優(yōu)化前后葉型加工成模型樣機,并搭建了試驗臺,進行性能試驗和葉輪內(nèi)部流動的PIV測試。數(shù)值優(yōu)化和試驗結(jié)果都表明,優(yōu)化楔形葉片在滿足約束