（动力机械及工程专业论文）基于numeca和isight的叶轮机械三维气动优化设计的研究.pdf

哈尔滨：t ：程大学硕十学位论文 摘要 叶栅作为叶轮机械热功转换的基本单元，其气动设计理论与设计方法的 研究，一直是国内外叶轮机械气动热力学领域关注的重点。随着计算流体 力学和现代优化计算方法的飞速发展，叶轮机械的优化设计技术得到了快 速发展。但是叶轮机械的气动优化设计仍然是一个具有挑战性的研究领域。 本论文基于商业软件n u m e c a 和i s i g h t 优化平台开发了一个适用于于叶轮 机械的全三维优化设计系统，主要开展了以下几个方面的工作： 首先，使用n u m e c a 软件包中的a u t o b l a d e 和a u t o b l a d e f i t tin g 模块 将参考叶片进行参数化。将叶片积叠线用双角度控制曲线进行拟合，选取 了五个关键截面，每个截面叶型采用w i t he n d l i n e 的构造线定义模式来定 义，中弧线定义为由四个控制参数构造的4 次b e z i e r 曲线，压力面和吸力 面都是关于中弧线的b 样条曲线。这为后续优化设计工作提供了优化设计 变量。 其次，研究了n u m e c a 与i s i g h t 的集成问题，将三维流体力学计算软件 与优化平台相结合，开发出一个三维气动优化系统。系统包括三大部分： 几何模型控制模块、网格自动生成模块、数值计算模块。 再次，提出和实现了适用于叶轮机械全三维设计的组合优化方法。该组 合优化方法分为4 个阶段：对变量使用正交矩阵法进行试验设计( d o e ) 分 析阶段、自适应模拟退火算法( a s a ) 全局搜索阶段、响应面( r s m ) 近似 建模阶段，以及r s m 和序列二次规划法( n l p q l ) 相结合的局部寻优阶段。 通过采用d o e 方法，深入研究了设计变量的变化如何影响目标函数和约束， 获取设计空间性质，抓住优化问题的主要矛盾，减小了叶片气动优化问题 的规模：对于叶轮机械叶片气动优化这种非线性多峰优化问题，单纯采用 某种常规的数值优化算法不能够有效得到全局最优解，通过采用a s a 法进 行全局搜索是得到初始近似全局解的有效途径；通过r s m 方法拟合复杂的 响应关系，平滑设计空间“噪声”，防止数值优化方法陷入局部极值点，从 而获得了良好的鲁棒性和适应性；在局部寻优阶段，采用了全三维流场数 值模拟程序对近似模型进行校正，用n l p q l 方法对近似模型进行局部寻优， 哈尔滨+ 1 j 程大学硕十学位论文 既保证了气动性能分析的精度，又大大减少了实际数值模拟的总计算时间。 最后，使用本文所开发的优化系统，以某级动力涡轮叶片为参考叶片， 对其进行y - 维气动优化设计。优化设计结果表明，优化叶片的气动性能 较参考叶片明显提高。表明本文的气动优化设计方法，是获得低损失高性 能叶片的有效途径。 关键词：三维；叶轮机械；优化；参数化 a b s t r a c t c a s c a d e sa st h et h e r m a la n dp o w e r c o n v e r s i o nb a s i cu n i to ft u r b o m a c h i n e r y , t h er e s e a r c ho fi t s a e r o d y n a m i ct h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d s ，b o t ha th o r n ea n d a b r o a d h a sb e e nt h e k e ys u b j e c t i nt h e a r e ao f t u r b o m a c h i n e r y a e r o t h e r m o d y n a m i c s w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t a t i o i l a if l u i d d y n a m i c sa n dm o d e m o p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o n ，t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g n t e c h n o l o g y o f t u r b o m a c h i n e r y h a s d e v e l o p e dr a p i d l y b u t t u r b o m a c h i n e r y o p t i m i z a t i o na e r o d y n a m i cd e s i g ni ss t i l lac h a l l e n g i n ga r e ao fr e s e a r c h i nt h i s p a p e r , at h r e e d i m e n s i o n a lm e c h a n i c a l d e s i g no p t i m i z a t i o ns y s t e m w h i c hi s a p p l i c a b l et ot h et u r b o m a c h i n e r yi sd e v e l o p e db a s e do nt h ec o m m e r c i a ls o r w a r e n u m e c aa n d i s i g h t - a o p t i m i z a t i o n p l a t f o r m at h r e e - d i m e n s i o n a l a e r o d y n a m i cd e s i g no p t i m i z a t i o ns t u d yt oac e r t a i np o w e rt u r b i n er o t o rb l a d ei s c a r r i e do u t m a i n l yi nt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t so f t h ew o r k ： f i r s t ，r e f e r e n c eb l a d ei sf i t t e db ya u t o b l a d em o d u l ea n da u t o b l a d ef i t t i n g m o d u l eo ft h es o f t w a r ep a c k a g en u m e c a ，a n d i ti s t r a n s f o r m e di n t od a r a m e t r i c b l a d e b l a d es t a c k i n gl i n ew i l lb ef i t t e dw i t ht w oa n g l ec o n t r o lc u r v e f i v eb l a d e s e c t i o n sa r es e l e c t e da sk e ys e c t i o n st ob ef i t t e d e a c hs e c t i o ni sd e f i n e db yt h e t y p eo fu s e dw i t he n d1i n e ，t h ec a m b e rl i n ei sc o n s t r u e t e di nt h ef o 肌o fa4 d e g r e eb e z i e rc u r v eo f4c o n t r o lp o i n t s b o t hp r e s s u r ea n ds u c t i o ns i d e s2 u r e c o n s t r u e t e di nt h ef o r mo fb s p l i n ec u r v e s t h e s ep r o v i d e o p t i m i z e dd e s i 2 n v a r i a b l e sf o rt h ef o l l o w 。u po p t i m i z a t i o nw o r k s e c o n d l y , t h ei n t e g r a t i o nr e s e a r c hb e t w e e nn u m e c aa n di s i g h ti s s t u d i e d ，t h r e e d i m e n s i o n a lf l u i dd y n a m i c sc a l c u l a t i o ns o f t w a r ea n do p t i m i z a t i o n p l a t f o r ma r eu n i t e d at h r e e - d i m e n s i o n a la e r o d y n a m i co p t i m i z a t i o ns y s t e m i s c o n s t r u c t e d t h es y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：g e o m e t r i cm o d e lu p d a t i n gm o d u l e ， a u t o m a t i cm e s hg e n e r a t i o nm o d u l e ，a n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm o d u l e ，t h e m o d u l et h r o u g ht h e t h r e er e p e a t e di t e r a t i v ec a l c u l a t i o nl e a v e st h eo p t i m i z a t i o n o ft h ec o m p l e t er e v i s i o n t h i r d ，ac o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o nm e t h o da p p l i c a b l et ot h e d e s i g no f i l i 哈尔滨下程大学硕七掌僚论文 t h r e e - d i m e n s i o n a lt u r b o m a c h i n e r y i s p r o p o s e d a n d i m p l e m e n t e d t 1 1 e c o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o nm e t h o di sd i v i d e di n t of o u rp h a s e s ：o r t h o g o n a l m a t r i xm e t h o dt oe x p e r i m e n td e s i g n ( d o e ) a n a l y s i sp h a s e ，a d a p t i v es i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m ( a s a ) g l o b a ls e a r c hp h a s e ，r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ( r s m ) a p p r o x i m a t em o d e l i n gs t a g e ，r s ma n ds e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ( n l p q l ) c o m b i n a t i o no fl o c a lo p t i m i z a t i o ns t a g e t h r o u g ht h eu s eo fd o e m e t h o d ，i to f f e r sai n d e p t hs t u d yo fh o wt h ec h a n g e si nd e s i g nv a r i a b l e sa f f e c t 。 t h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n dc o n s t r a i n t s ，a c c e s s e st ot h en a t u r eo ft h ed e s i g ns p a c e a n ds e i z et h ep r i n c i p a lc o n t r a d i c t i o no fo p t i m i z a t i o np r o b l e m s ，r e d u c e st h e a e r o d y n a m i co p t i m i z a t i o nl e a v e st h es c a l eo ft h ep r o b l e m ；圈：l et u r b o m a c h i n e r y a e r o d y n a m i co p t i m i z a t i o ni s s u c han o n l i n e a r m u l t i o p t i m i z a t i o np r o b l e m ， s i m p l yu s i n gs o m ec o n v e n t i o n a ln u m e r i c a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mc a nn o tb e e f f e c t i v ef o rt h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o n ，t h r o u g ht h eu s eo fa s am e t h o do f g l o b a ls e a r c hb yt h ei n i t i a la p p r o x ! m a t i o ni sa ne f f e c t i v ew a yt ot h eo v e r a l l s o l u t i o n r s mf i t st h ec o m p l i c a t e dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e s p o n s e ，s m o o t h e s 。 t h ed e s i g ns p a c e ”n o i s e ”t op r e v e n tn u m e r i c a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d si n t ol o c a l m a x i m u mp o i n t ss o 鑫st og a i nag o o dr o b u s t n e s sa n da d a p t a b i l i t y l o c a l o p t i m i z a t i o np h a s ei nt h eu s eo ft h et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n p r o g r a mt o c o r r e c tt h es i m i l a rm o d e l ，n l p q lm e t h o di su s e df o rp a r t i a l o p t i m i z a t i o nt oa p p r o x i m a t em o d e l ，n o to n l ye n s u r e st h ea c c u r a c yo f t h ea n a l y s i s o ft h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n dg r e a t l yr e d u c e st h ea c t u a lc a l c u l a t i o nc o s t o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i n a l l y , w i t h t h e h i g h e s te f f i c i e n c y a st h e o b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h e t h r e e d i m e n s i o n a la e r o d y n a m i co p t i m i z a t i o ns y s t e mi su s e dt od e s i g nac e r t a i n p o w e rt u r b i n eb l a d e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e so f + o p t i m i z a t i o nb l a d eh a v es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d 。i ts h o w st h a tt h ea e r o d ) 7 n a m i c d e s i g no p t i m i z a t i o nm e t h o do ft h i sp a p e ri sa ne f f e c t i v ew a yt oa c c e s sh i g h l y e f f i c i e n ta n dl o w 1 0 s sp e r f o r m a n c eb l a d e k e yw o r d s ：3 d ；t u r b o m a c h i n e r y ；o p t i m i z e ；p a r a m e t e r i z a t i o n i v 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 叶轮机械作为当代最主要的动力装置之一，广泛应用于国民经济中的各 个领域，它是航空动力装置的核心组成部分，也是能源与动力行业的关键 设备，是军事科技的前沿学科，更是关系到国计民生的基础领域。在航空 动力工程和能源与动力行业需求的推动下，以燃气轮机为典型代表的叶轮 机械在近几十年来有了巨大的发展。 在航空动力工程中，以航空燃气涡轮发动机为动力的飞机自1 9 3 9 年首 飞以来己有了近7 0 年的历史。在这半个多世纪中，已显示出航空燃气涡轮 发动机对军事和国民经济建设具有极端的重要性，历来受到主要工业国家 的高度重视，其技术发展相当迅速。目前，世界发达国家在军用航空发动 机的研制上已达到了较高的水平，如美国己经成功为“先进战斗机( a t f ) ” 计划和“联合攻击机( s j f ) ”计划研制了推重比为1 0 一级的第四代发动机 f l l 9 以及f 1 2 0 。在研发第四代发动机的同时，美国还提出了使发动机能力 倍增的“综合高性能涡轮发动机技术( i h p t e t ) ”计划“1 。i h p t e t 计划的目标 是在1 5 年内，使美国的航空动力推进能力在1 9 8 8 年的基础上再提高一倍， 整个计划己于2 0 0 5 年完成。而比i h p t e t 计划更下一代的技术一“先进概 念发动机计划”正在酝酿中。 在能源与动力行业中，航空燃气涡轮发动机技术在非航空领域也获得了 广泛应用川川，推动了地面燃气轮机的发展。目前，燃气轮机己成为先进水 面舭船的主要动力，以燃气轮机为主要动力的主战坦克也在“沙漠风暴” 中经受了实战考验。至于燃气轮机在工业上的应用，除广泛用于机械驱动 外，在电力工业中早已从以调峰发电为主发展为以基本负荷发电为主。美 国现在每年新增的和更新的发电设备中，6 0 为燃气轮机系统。预计今后1 0 年全球新增的发电设备中，3 6 将为燃气轮机系统。 相对于国外的情况，我国在军、民用航空燃气涡轮发动机以及工业用燃 哈尔滨工程大学硕士学位论文 气轮机技术水平上的差距还相当大，远远不能满足我国国防建设、民航发 展、动力使用以及工业增长的需求，因此亟待提高叶轮机械的研制水平。 设计先进高效、轻便、紧凑的燃气轮机和蒸汽轮机，同时降低设计成本， 缩短设计周期，已经成为了现代叶轮机械设计的一个重要目标。叶片是叶 轮机械中的关键部件，担负着热功转换的重要任务，其气动性能在很大程 度上决定于它的造型，所以要提高叶轮机械的性能，必须高度重视叶片优 化设计技术的研究。 对于燃气轮机涡轮而言，它的重量减小是以其级的负荷提高为前提，这 必将引起二次流损失的增大，导致涡轮效率降低；对压气机来说，在上世 纪四十年代末期，出现了超音速飞机，为了适应超音速飞行的需要，便开 始了对超、跨音速压气机的研究。众所周知，超、跨音速压气机叶片通道 内部的流动结构非常复杂。随着超音速流动的出现，便伴随着激波的产生， 激波与附面层的相互干扰，以及流动分离现象等等，这都将引起流动损失 的急剧增加，随着叶片负荷的增加，分离现象更加严重，致使压气机效率 显著降低。因此，可见在燃气轮机发展过程中，压气机和涡轮都面对着减 小重量和提高效率的相互矛盾的要求。对于蒸汽轮机而言，近二十年来， 人们越来越重视能源的合理利用，努力提高大型火力蒸汽机装置的经济性。 研究表明嗨，热耗改善1 相当于增加9 0 0 万英镑( 合人民币1 亿2 7 5 9 万元) 的价值，尽最大可能提高蒸汽轮机的效率也是商业上的迫切要求。由于大 型蒸汽轮机的高压级叶片比较短，它的横向二次流损失较大；而在低压级， 由于径向压力梯度很大，有时为了使顶部反力度不至于过大，不得不在根 部引入负反力度，所以在蒸汽轮机的低压级内，除了横向二次流损失以外， 径向二次流损失在总能量损失中占了主要地位。显然，大型蒸汽轮机组中， 高、低压缸中的二次流是制约其提高效率的主要因素。 大批学者已经在叶片设计领域做了大量的研究，在这些研究成果中比较 成功的并在工程实践中得到广泛应用的为可控涡设计哺儿”、端壁子午成型1 、 端弯技术嗍、可控扩散叶型n “、前掠叶片和弯扭叶片，。大量的研究与实际 应用成果表明，叶片的优化技术可以是多方面的。历史上，人们已经发展 了一些实用的造型方法和叶型系列，它们都被广泛的应用于叶片的造型设 计之中。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 我国能源以煤为主，以煤气化为核心的多联产系统已经成为可持续能源 发展战略的重要组成部分。构建资源、能源、环境整体化的可持续发展能 源系统需要从系统角度集成现有的先进技术并开发新型关键和支撑技术， 使得污染最小和能量效率经济效益最大化。叶片气动优化设计是关系我国 叶轮机械发展的前沿课题，近年来，为了提高叶轮机械通流部分的气动设 计水平，工业界与学术界都将目标集中在基于求解全三维n a v i e r s t o k e s 方程的优化设计体系上。 、 本论文从主攻叶轮机械气动优化设计方案的若干难题入手，采用基于高 精度、快速的三维粘性流动的数值分析方法、三维叶片参数化造型技术和 多种优化算法相组合的策略，研究和开发了一套叶轮机械叶片全三维自动 优化系统。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 传统设计方法 对于叶轮机械叶片气动设计优化，历史上存在多种方法，常见的叶轮机 械叶型设计方法有两种：正命题方法和逆命题方法。简单的说，所谓正命题 方法n ”，就是已知叶型形状求解其表面速度分布；而逆命题方法则是给定叶 型表面的压力分布或速度分布，求解满足该分布的叶型形状。 叶栅的设计均希望达到以下目标：1 流体与叶栅之间尽可能多的能量转 换；2 尽可能低的制造成本以及最小的流动损失。为了有效的降低成本， 只有提高流体的速度。为了增加气流转折，要提高叶片吸力面与压力面的 流速之差；为了加大质量流量，需要提高流速水平。随着流速的不断提高， 会导致叶片吸力面出现局部超音速区域( 超临界流动) ；超音速流动多半会 经过激波之后返回到亚音速流动。激波引起的压力升高可能导致边界层分 离使流动损失增加，一般应尽量防止激波出现。 采用正命题设计叶型时，通常需要构造一些叶型，然后利用适当的c f d 方法分析这些己知叶型的表面速度分布。因此，正方法是一个反复试验修 正的过程，往往十分耗时。目前有许多叶型正问题设计方法，有传统的叶 3 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 型设计方法和超、跨音速压气机叶型设计方法s 传统的叶型设计方法，是 根据基元叶片进出口速度三角形用标准叶型来确定叶片几何形状，通过改 变最大厚度位置构成系列叶型，然后对叶型进行系列化平面叶栅吹风试验， 根据叶栅性能来指导叶型设计。但不适于低损失、高负荷的跨音速叶栅设 计。原因在于：跨音速区域气流对叶形轮廓是相当敏感的，型面的微小变 化都可能引起气流参数较大波动。按常规方法设计的叶型，型面与气流参 数不能完全匹配，导致在叶栅槽道中有可能产生较强的激波，激波与附面 层的相互干扰，以及附面层分离造成流场急剧恶化，损失增大。超、跨音 速压气机叶型设计方法主要是采用分段曲线n 3 ，( 多圆弧叶型、任意成型叶型、 定制叶型和四段圆弧叶型) 先生成中弧线，然后选取标准的厚度分布再在中 弧线上叠加厚度，生成初始叶型。缺点是无法预知叶片的性能，需要进行 流场计算或平而叶栅的吹风试验来检验，根据叶栅性能参数来指导叶片的 设计，叶型修改工作量大，实践中叶片设计者要具有很专业的技能才能设 计出好的叶片。 相反，逆命题方法“”，由于是根据给定的一个理想的压力或速度分布求解 叶型形状，更易于得到一个合理的叶型，同时也避免了正命题的反复过程。 但是对于很多的设计者来说反方法设计最大的问题在于很难给定一个理想 的初始压力或速度分布。因此反方法叶型设计过程中最大的问题是对初始 速度分布进行优化调整。常见的反方法叶型设计主要有以下几种：复特征线 法擅订、虚拟气体法和势流函数有限差分法伽，它们的共同之处就是采用给 定叶片表面的速度分布来设计叶型。这就使得叶型表面与表面气流参数能 有机地结合起来，设计者可以在较宽广的范围内选择所需要的速度分布， 然后设计出对应的叶型。它的优点在于先由附面层分析得出优化的速度分 布，然后采用某种设计方法得出对应的叶型，这样得出的叶型更能够接近 一个比较理想的速度分布，达到设计的要求，避免了正方法设计叶型时的 盲目性，大大节省了时间和费用。 但是采用反方法设计叶型也存在一些不足之处，对于初始给定的叶片 表面速度分布，得出的叶型有可能不封闭，在前缘点可能出现张口或交叉 的情况，对非设计的情况考虑的也比较少，同时还存在一个问题，就是反 方法叶型设计时对叶型厚度很难控制，此时必须对叶片表面速度分布的初 4 哈尔滨：l ：程大学硕十学位论文 始值进行有效调整，使计算出的叶型弯角与规定的值一致，同时前缘趋于 闭合，厚度也能够基本满足设计要求，直到得出合理的叶型形状为止。 1 2 2 气动优化设计方法 最近发展起来的气动优化设计方法m 圳的特点是将某种优化算法与某种 流体力学解法结合起来，以达到给定的气动目标函数( 如升力、阻力、损 失等) 的要求。利用现在先进的计算流体力学( c f d ) 方法能对二维、三维 的静止和旋转参照系中的叶片通道进行分析。 当前优化算法在叶轮机械领域的应用得到了极大的重视，各国叶轮机 械领域的学者和工程技术人员正在从理论到实践上，不断地发展和验证着 各种优化方法的应用方法。总的来说，叶轮机械叶栅的优化设计的方法都 是在叶栅参数化和c f d 技术应用的基础上进行的，多是利用逼近方法通过 学习大量计算样本算例得到目标函数的仿真解，继而用优化算法以该仿真 解作为适应度函数进行优化计算以找出最优的几何参数。其关键技术在于 样本生成的普遍性和代表性、仿真环节的准确性、优化算法的全局收敛性 和鲁棒性。即要求能够生成覆盖各个参数的变化范围样本数据库，以充分 表现出各个参数在不同变化区间对目标函数的影响方向和大小：仿真环节 要能够通过对样本数据库的学习，准确地模拟和预测输入量和输出量之间 的非线性关系；要求优化算法能够以仿真解为适应度函数快速的收敛到最 优解，同时还能够跳出局部最优解达到全局最优解并保证整个过程的鲁棒 性。 气动优化设计的主要优点在于： 1 使用n a v i e r s t o k e s 方程直接进行流场分析，可以全面考虑包括粘 性、全三维效应在内的复杂流动现象，从而能够更加准确的对叶型 进行评价； 2 可以在优化过程中建立叶型数据库，采用人工智能的方法加速优化 设计过程。p i e r r e t 川等使用人工神经网络进行目标函数的逼近，从 而加速了叶型设计优化过程： 3 优化设计可以得到全局最优。由于流动现象的复杂性和高度非线 啥尔滨丁程大学硕士学位论文 f i l l 性，采用基于梯度的优化算法很难达到全局最优。为了能得到全局 最优解，f a n 矧等人使用了遗传算法等扇发式算法作为优化算法； 4 优化设计容易实现多目标最优。因为通常设计问题常常有很多目 标，一个最优的设计应该是折衷后的最优。把闼标函数用一组待优 化的物理量用加权形式表示，优化设计方法可以把非设计工况考虑 进来。u l fk o l l e r 2 “把设计工况点的总压损失和非设计工况点内的 性麓结合在一起生成目标函数进行优化，最厩雩导到了组新的时 型。w o l f g a n ge g a r t n e r l 使用s q p 优化算法对透平和压气机叶片进 行了全工况优化。s h i g e r uo b a y a s h i 游，等采用多冒标遗传算法获彳罨 了以最大压比、最大气流折转角、最小总压损失系数为多目标函数 的叶型； 5 优化设计方法把流场计算、优化算法以及叶型的几何表示结合起 来，从而便于进行叶型的自动化设计。通过叶型自动化设计，可以 方便的生戒各种叶型汹，。随着c a d c a m 技术，入工智能技术蘸发展， 自动设计已经成为降低成本，缩短设计周期的重要技术。 在优化的方案上，k o s u k ea s h i h a r a 和a k i r a ，g o t ”提出一种把优化算 法和反问题算法相结合的气动优化方案，并对n a s a1 3 5 0 叶型进行了优化 设计。该系统的流程如图l 。l 所示，其设计变量为叶片的载荷曲线，通过 使用优化算法的方法优化叶片载荷曲线，从而达到叶片性能提升的目的。 三维反问题求解程序根据优化后的载荷曲线褥到三维叶片造型，然后通过 n a v i e r s t o k e s 数值模拟程序求得叶片的性能。在这个优- 化方案中，载荷曲 优化设计及分析 圈l 。1 基于反瀛题求解、c f d 模拟和优化算法的三维叶片气动优化流程图 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 线的优化、叶片的反问题生成和n s 卅片性能评价三个模块耦合迭代，直 到获得最优解。该方案仍然集成了反问题的代码，所以优化的精度和效率 受到反问题求解程序的影响，并不是真正意义上的全三维叶片优化系统。 1 9 9 9 年，p i e r r e t s 等人提出了采用b 样条构造二维叶型，采用人工 神经网络和2 dn a v i e r - s t o k e s 流场数值模拟程序组合的叶片优化系统，并 成功的应用在压气机二维叶型的设计优化中。图1 2 是他们采用的二维叶 片参数化模型。图1 3 是该系统的流程图，其气动优化设计的步骤为： 图1 2 二维叶型参数模型 图i 3 基于神经网络、c f d 和优化算法的二维叶片设计优化系统流程图 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 先给定表示性能的物理量，以及各种气动、结构的约束和流场的边 界条件； 2 在数据库中搜索接近于当前流场边界条件的初始叶型； 3 用神经网络代替流场计算，得到性能的近似估计，其评价结果返回 给优化算法，优化算法决定叶型的改进方向； 4 对修改后的新叶型进行流场计算，得到准确的性能指标，同时把新 叶型和其准确的性能评价结果存入数据库； 5 把数据库中原有的叶型和对应的性能进行非线性分类，同时对神经 网络进行再训练，使神经网络重新对流场进行建模： 6 迭代上述2 5 步，直到两次迭代的误差小于指定值。 该系统的难点在于如何进行模块集成并且实现自动化，以及如何处理 大规模的三维叶片优化问题。对于神经网络模型而言，还存在训练过程收 敛失败等等异常情况。 2 0 0 0 年，c a r l op o l o n i n 州等人提出了基于3 dn a v i e r - s t o k e s 数值模拟、 遗传算法( g a ) 、人工神经网络( a n n ) 和共轭梯度优化算法( c g ) 组合优 化方案，并对一赛艇的腹鳍叶片进行了优化。图1 4 是该系统的流程图， 其特点是：用神经网络逼近流场特性，在优化过程中建立叶型数据库，从 而加速优化设计过程；用遗传算法获得近似的全局最小点，然后在近似的 全局最小点附近使用共轭梯度法求得精确的全局最小值。 多目标优化 上 上 i 叶型数据库近似全局最优 上1 l f 神经网络训练i - i 共轭梯度 上 最优解 图1 4 基于g a 、a n n 、c g 和c f d 的三维叶片组合优化系统结构图 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 当前，叶轮机械叶片全三维气动设计优化的主要难点在于： 1 如何构造既保证叶片曲率充分光滑，又保证控制变量数目适度的三 维叶片参数化模型； 2 如何选取近似模型，尽可能减少全三维粘性流动的实际仿真次数， 又保证近似模型有足够的精度： 3 叶轮机械叶片气动优化设计问题是一个非线性多峰优化问题，采用 何种基于全局搜索算法和局部梯度优化算法的组合优化策略是一 个关键问题： 4 气动优化法的精度依赖于流场计算方法的精度，当前的三维数值模 拟在预测分离和流动损失方面尚且不足； 5 采用并行计算技术，减少全三维粘性数值模拟的时间： 6 实现系统的自动化和集成化，尽可能减少人工干预。 ，国内许多学者也利用各种优化算法，对涡轮机械叶栅进行了优化设计 研究。西安交通大学丰镇平教授13 9 - 4 i ，、清华大学袁新教授 4 4 - i gj 在叶栅参数化和 优化算法的应用方面作了较多工作。丰镇平教授等人在对两种智能型多目 标算法一模拟退火算法和遗传算法进行研究的基础上“，将两种算法从理论 上进行了比较；并将该两方法应用到透平级设计的计算上，亦对其进行了 比较，得出了有益的结论。从而为透平级的多目标优化设计的深入研究奠 定了基础。袁新教授等人发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的 气动优化设计系统，。该系统是分析技术与组合优化技术的耦合；前者基于 高精度、鲁棒型的数值分析方法，己成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析， 并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系；后者基于优秀的 i s i g h t 商用优化平台，通过对多种优化方法的集成，从而发展了组合的叶 片全三维气动优化策略。其数值结果与试验数据的比较表明，该气动优化 设计系统真f 纳入到工业设计体系是完全可能的。 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 3c f d 技术在叶轮机械领域的应用及n u m e c a 软件简介 1 3 1c f d 技术在叶轮机械领域的应用 随着科学技术的进步和经济的发展，许多领域对高性能的流体机械需求 越来越迫切。为了适应社会的需求，需要进行试制和大量试验参数测量等 工作，为此需要耗费大量的资金和时间。显然，为了设计出高性能的流体 机械，传统的设计方法己满足不了工业生产的需要，必须采用现代设计理 论和方法。这就要求设计者必须详细掌握流体机械性能和内部流动状况， 从而给流体机械内部流动理论和试验研究提出了新的课题。研究流体流动 的方法有理论分析、实验研究和数值模拟三种。对叶轮机械内部流动实验 测量时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而使 实验研究受到了很大的限制。而数值模拟将以其自身的特点和独特的功能， 与理论分析及实验研究一起，相辅相成。逐渐成为研究流体流动的重要手 段，形成了新的学科一计算流体动力学( c f d ：c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 。近年来，随着高性能计算机的普及，以及c f d 方法的深入研究， 其可靠性、准确性、计算效率得到很大提高，展示了采用c f d 方法用计算 机代替试验装置和“计算试验”的现实前景。c f d 方法具有初步性能预测、 内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用”。 在设计制造流体机械时，一般的过程为设计、样机性能试验、制造。如 果采用c f d 方法通过计算机进行样机性能试验，能够很好地在图纸设计阶 段预测流体机械的性能和内部流动产生的漩涡、二次流、边界层分离、尾 流、叶片颤振等不良现象，力求在设计初期解决可能发生故障的隐患。 计算流体动力学( c f d ) 在2 0 世纪8 0 年代左右取得了不少重大进展。在 高速可压缩流动方面，基于总变差减小( t o t a lv a r i a t i o nd i m i n i s h i n g ， t v d ) m 一，与矢通量分裂( f l u xv e c t o rs p l i t t i n g ) 刚、通量差分分裂( f l u x d i f f e r e n c es p l i t t i n g ) _ 等方法的高精致格式( h i g hr e s o l u t i o ns c h e m e ) 终于较好地解决了流体力学的一大难题一跨、超音速计算的激波精确捕获。 而采用传统的人工黏性方法的j a m e s o n ，格式等在这方面也取得很大的成 l o 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 功。多层网格与残差光顺m “，( r e s i s u a ls m o o t h i n g ) 等加速收敛技术有效地 减少了三维流动模拟的巨大计算工作量。而在低速不可压流动方面，利用 人工可压缩性方法与压力校正法等对n a v i e r - s t o k e s 方程组的直接求解取 代了局限性很大的流函数一涡量法等传统解法，从而也促进c f d 技术向流 体传热、多相流、燃烧与化学反应流等领域迅速扩展与深入。这些进展在 很大程度上促进了c f d 技术的实际应用晦”。 目前通过计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟，c f d 方法将在一 定程度上取代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模 拟可提供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依据。因此， c f d 方法是现在和未来研制流体机械必不可少的工具和手段，它使设计者以 最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求提高性能的设计思想和 设计方案，从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说c f d 方法为流 体机械设计提供了新的途径。 1 3 2n u m e c a 软件简介 本课题所使用的n u m e c a 软件是c f d 应用软件中的后起之秀，这个软件 的前身是布鲁塞尔自由大学与瑞典航空研究所共同为欧洲空间发展中心 ( e s a ) 开发的航天飞行器计算软件“e u r a n u s ”，后来发展为通用性的商业化 软件，9 0 年代中期才开始推向市场。由于它的前身是计算高速流动的专业 级软件，从而软件的核心部分一离散格式与解法，以及跟求解密切相关的 多层网格等方面的质量很高。其中心格式采用了j a m e s o n 人工黏性显格式， 上风格式采用基于t v d 与通量差分分裂方法的高精致格式，方程求解采用 多步r u n g e 二一k u t t a 法，低速计算采用预条件法等，并采用了多层网格与隐 式残差光顺法等加速收敛技术。该软件的主体部分是在9 0 年代初编制的， 这些技术体现了当时c f d 的最高水平。n u m e c a 后来重点发展其叶轮机械流 动计算模块，由于其高速流动计算的性能很强，从而对于包含跨、超音速 区的高速压缩机、汽轮机等的模拟具有明显优势。下面分别简要介绍其功 能强大的f i n e t u r b o 和f i n e d e s i g n 3 d 子模块： f i n e t u r b o 可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 粘性或无粘内部( 其中包括任何叶轮机械：轴流或离心、风机、压缩机、泵、 透平等，单级或多级，或任何其它内部流动：管流、涡壳、阀门等) 流动的 数值模拟。 网格生成器包括i g g 和a u t o g r i d ：其中i g g 可生成任何几何形状的结 构网格。采用准自动的块化技术和模板技术。生成网格的速度及质量均远 高于其它软件；a u t o g r i d 可自动生成任何叶轮机械( 包括任何轴流、混流、 离心机械，可带有顶部、根部间隙，可带有分流叶片等) 的h 形，i 形和h o h 形网格。该软件已经被国际工业部门认为是目前用于叶轮机械速度最快、 最方便及网格质量最好的网格生成软件。 求解器e u r a n u s ：求解三维雷诺平均的n - s 方程。采用多重网格加速技 术；全二阶精度的差分格式；基于m p i 平台的并行处理；可求解任何二维、 三维、定常非定常、可压不可压，单级或多级或整个机器的粘性无粘流 动。可处理任何真实气体；有多种转静子界面处理方法；自动冷却孔计算 的模块：多级通流计算；自动初场计算；湿蒸汽计算；共额传热计算；气 固两相流计算等等。其多级( 1 0 级以上) 求解性能良好。 功能强大流动显示