基于NURBS及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、深入研究航空葉輪機(jī)內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)及葉片的氣動(dòng)損失機(jī)理，并利用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)一步提高葉片的氣動(dòng)性能有著重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文應(yīng)用非均勻有理樣條函數(shù)NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了葉片的幾何參數(shù)化，完成了葉片的造型，并提出了一種變學(xué)習(xí)率的動(dòng)量BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，在壓氣機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬和對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)來改善了其氣動(dòng)性能。本文主要開展了以下幾個(gè)方面的工作：

2、 實(shí)現(xiàn)了NURBS曲線形狀控制點(diǎn)信息與葉片幾何參數(shù)的有效關(guān)聯(lián)，重點(diǎn)突破了該方法在中弧線、厚度分布、吸壓力面以及前后緣處理過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)，成功地完成了對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)葉片的三維構(gòu)型，為葉型的幾何參數(shù)化提供了一種新途徑。應(yīng)用NURBS方法生成了某超音速葉型的前緣，探索了不同形狀橢圓弧前緣對超音速葉型的氣動(dòng)影響機(jī)理；一系列流場計(jì)算對比分析結(jié)果表明：在保持氣動(dòng)弦長不變的前提下，存在某一個(gè)橢圓弧形狀控制因子和方向控制因子的最佳匹配，使得葉

3、型能獲得更好的氣動(dòng)性能。 自行設(shè)計(jì)并完成了NURBS曲線/曲面類、中弧線類、厚度分布類、葉片吸壓力面類和三維葉片實(shí)體類等底層工具，通過耦合CFD方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，開發(fā)出了一套操作簡便、功能較強(qiáng)且具有一定專業(yè)水準(zhǔn)的葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，完成了對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)。后續(xù)的實(shí)踐工作表明：該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠較好地進(jìn)行葉片的幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)，有助于提高或改善葉輪機(jī)的氣動(dòng)性能。 采用NURBS參數(shù)化方法，對帶進(jìn)口導(dǎo)流葉片的某三級軸流壓氣機(jī)靜

4、子葉片2進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，應(yīng)用S1流場計(jì)算方法對改型前后的葉片進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比分析結(jié)果表明：此方法擁有較高的精度和可靠性，能夠較真實(shí)地模擬基元級中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對后續(xù)工作中的基元級優(yōu)化設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)作用。 針對一般BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在學(xué)習(xí)過程中容易產(chǎn)生振蕩、算法的收斂速度慢、目標(biāo)函數(shù)容易存在局部極小點(diǎn)以及對新樣本訓(xùn)練集缺乏泛化能力等問題，提出了一種新的改進(jìn)型變學(xué)習(xí)率的動(dòng)量BP算法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一種加入Dalta-bar-Delt

5、a規(guī)則的BP算法，解決了因?qū)W習(xí)因子固定而導(dǎo)致的收斂速度慢和學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)間過長等問題，通過加入動(dòng)量因子增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗振蕩能力。 應(yīng)用所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，建立了葉型幾何模型與氣動(dòng)參數(shù)的相互制約模型，完成了某風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的優(yōu)化改型設(shè)計(jì)。結(jié)果分析表明：風(fēng)扇轉(zhuǎn)子2根部改型后尾緣區(qū)的氣流分離區(qū)減小，尾緣后部的漩渦強(qiáng)度減弱，尾跡漩渦的中心位置后移。同時(shí)風(fēng)扇在設(shè)計(jì)點(diǎn)處的壓比從2.7951上升到2.8014，上升了大約0.2254％，效率從0

6、.85917提高到0.86243，增長了約0.3794％。完成了自行設(shè)計(jì)的雙排對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)性能匹配實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性驗(yàn)證：一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，從堵點(diǎn)到喘點(diǎn)，壓氣機(jī)的效率較高，基本處于0.8至0.90之間，壓比浮動(dòng)范圍較大，但總體上維持在較高水平。隨著轉(zhuǎn)速的降低或兩轉(zhuǎn)子間轉(zhuǎn)差的增大，壓氣機(jī)雖然能穩(wěn)定工作，但性能迅速惡化，穩(wěn)定裕度減小，快速進(jìn)入喘振區(qū)。研究還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)子1中分配的加功量稍多于轉(zhuǎn)子2時(shí)，兩