基于NURBS及神經(jīng)網(wǎng)絡技術的葉片優(yōu)化設計與實驗研究.pdf

1、深入研究航空葉輪機內部流場結構及葉片的氣動損失機理，并利用優(yōu)化設計技術進一步提高葉片的氣動性能有著重要的理論意義和工程應用價值。本文應用非均勻有理樣條函數(shù)NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)技術實現(xiàn)了葉片的幾何參數(shù)化，完成了葉片的造型，并提出了一種變學習率的動量BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，在壓氣機內部流場數(shù)值模擬和對轉壓氣機實驗研究的基礎上，通過優(yōu)化改進設計來改善了其氣動性能。本文主要開展了以下幾個方面的工作：

2、 實現(xiàn)了NURBS曲線形狀控制點信息與葉片幾何參數(shù)的有效關聯(lián)，重點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鍵技術，成功地完成了對轉壓氣機葉片的三維構型，為葉型的幾何參數(shù)化提供了一種新途徑。應用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影響機理；一系列流場計算對比分析結果表明：在保持氣動弦長不變的前提下，存在某一個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性能。 自行設計并完成了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體類等底層工具，通過耦合CFD方法與神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化技術，開發(fā)出了一套操作簡便、功能較強且具有一定專業(yè)水準的葉片優(yōu)化設計系統(tǒng)，完成了對轉壓氣機葉片設計。后續(xù)的實踐工作表明：該設計系統(tǒng)能夠較好地進行葉片的幾何優(yōu)化設計，有助于提高或改善葉輪機的氣動性能。 采用NURBS參數(shù)化方法，對帶進口導流葉片的某三級軸流壓氣機靜

4、子葉片2進行了改型設計，應用S1流場計算方法對改型前后的葉片進行了數(shù)值模擬，對比分析結果表明：此方法擁有較高的精度和可靠性，能夠較真實地模擬基元級中的流動結構，對后續(xù)工作中的基元級優(yōu)化設計具有較好的指導作用。 針對一般BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法在學習過程中容易產(chǎn)生振蕩、算法的收斂速度慢、目標函數(shù)容易存在局部極小點以及對新樣本訓練集缺乏泛化能力等問題，提出了一種新的改進型變學習率的動量BP算法，同時實現(xiàn)了一種加入Dalta-bar-Delt

5、a規(guī)則的BP算法，解決了因學習因子固定而導致的收斂速度慢和學習訓練時間過長等問題，通過加入動量因子增強了網(wǎng)絡的抗振蕩能力。 應用所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化方法，建立了葉型幾何模型與氣動參數(shù)的相互制約模型，完成了某風扇轉子葉片的優(yōu)化改型設計。結果分析表明：風扇轉子2根部改型后尾緣區(qū)的氣流分離區(qū)減小，尾緣后部的漩渦強度減弱，尾跡漩渦的中心位置后移。同時風扇在設計點處的壓比從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％。完成了自行設計的雙排對轉壓氣機性能匹配實驗研究，實現(xiàn)了實驗與數(shù)值計算結果的有效性驗證：一系列的實驗結果表明：在設計轉速下，從堵點到喘點，壓氣機的效率較高，基本處于0.8至0.90之間，壓比浮動范圍較大，但總體上維持在較高水平。隨著轉速的降低或兩轉子間轉差的增大，壓氣機雖然能穩(wěn)定工作，但性能迅速惡化，穩(wěn)定裕度減小，快速進入喘振區(qū)。研究還發(fā)現(xiàn)：當轉子1中分配的加功量稍多于轉子2時，兩