風(fēng)扇-壓氣機(jī)三維氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、風(fēng)扇/壓氣機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件，其性能的改進(jìn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)設(shè)計(jì)方法逐漸興起并吸引了眾多學(xué)者進(jìn)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(jī)械的全三維氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)體系。
　　本文首先開發(fā)了可用于葉輪機(jī)械流場(chǎng)計(jì)算的基于三維N-S方程的流場(chǎng)求解程序，出于對(duì)優(yōu)化所需時(shí)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(shí)間推進(jìn)采用四階龍格-庫塔格式，

2、并加入局部時(shí)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(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到了細(xì)致的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)地分析了跨聲速風(fēng)扇/壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中的流動(dòng)特點(diǎn)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，進(jìn)而驗(yàn)證了所開發(fā)程序的準(zhǔn)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(duì)簡(jiǎn)單遺傳算法加以改進(jìn)，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(duì)無法通

3、過多次調(diào)試來獲得罰因子的耗時(shí)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題尤其有用。針對(duì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)問題多是多目標(biāo)、有約束問題的特點(diǎn)，開發(fā)了基于Pareto方法的求解多目標(biāo)有約束問題的遺傳算法。對(duì)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(jìn)行了研究及改進(jìn)，有效地提高其尋優(yōu)速度。通過對(duì)概率接收公式的改進(jìn)，可以使其有效的求解多目標(biāo)優(yōu)化問題，從而滿足葉輪機(jī)械氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。更進(jìn)一步的改進(jìn)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(biāo)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(duì)葉輪機(jī)械葉片進(jìn)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(zhǔn)確地反求 B樣條曲線控制點(diǎn)，保證擬合精度，為進(jìn)行葉輪機(jī)械的改型氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)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(chǎng)評(píng)估次數(shù)數(shù)量巨大，提出了基于改進(jìn)拉丁超立方體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(zhǔn)確的具有全局尋優(yōu)能力的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5、體系。先采用Q3D優(yōu)化問題對(duì)其優(yōu)化性能與單純采用遺傳、模擬退火尋優(yōu)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。分別考慮了中弧線、厚度分布、三維積迭形式對(duì)跨音風(fēng)扇/壓氣機(jī)動(dòng)葉性能的影響。構(gòu)造了不同形式的三維葉片，并對(duì)其性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。采用該優(yōu)化設(shè)計(jì)體系進(jìn)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(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，表明

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