（航空宇航推进理论与工程专业论文）基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计.pdf

1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fe n e r g ya n dp o w e re n g i n e e r i n g 川m 1 1 1 1 1 帆南 iy 18 112 6 0 一 o p t i m i z a t i o nf o r t u r b om a c h i n eb l a d e b a s e d o np a r a l l e lg e n e t i ca l g o r i t h m a t h e s i si n a e r o s p a c ep r o p u l s i o nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g b y z h a n g j i a l i n a d v i s e db y p r o f e s s o rz h o uz h e n g g u i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e c e m b e r , 2 0 0 9 ， t l 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：童塞丛 日 期：型，3i i i 一 南京航空航天人学硕十学位论文 摘要 叶轮机械应用范围极广，在国民经济建设的各个领域内都扮演着重要的角色。叶片作为叶 轮机械的关键部分，它的造型好坏很人程度上影响叶轮机的气动性能。本文针对叶轮机械叶片 的气动优化方法进行了研究，在本课题组工作基础上，综合粘性体积力计算方法、商用c f d 软 件、多层参数化造型方法，以及并行遗传算法，对叶轮机械的叶片进行自动优化设计。 本文主要分为以下四个部分： 第一部分，研制基于叶素一动量理论的风力机三维气动性能计算程序，并引入各种修正因 子和失速模型，提高程序预测精度。 第二部分，针对低风速风力机的叶片设计研究，进行了初步的尝试。首先建立初始叶片造 型，然后采用遗传算法在基于叶素一动量理论计算的基础上对叶片的弦长和安装角进行优化， 最后完成优化风轮的三维造型，并采用c f d 方法对设计点进行深入分析验证。数值研究的结果 证明，优化后得到的风力机叶片在低风速下具备较好的气动性能。 第三部分针对工业上使用的大型冷却风机，对整机进行数值模拟，在确保较高的模拟精度 的前提下，对风机叶片所采用的翼型以提高不同攻角下的升阻比为目标进行优化，并将优化结 果应用于实际工程。 第四部分在风扇压气机叶片优化方面，对多层参数化方法进行了改进，将多层参数化、遗 传算法、流场计算有机的耦合到翼型和叶片的优化设计中，提高了优化效率。通过测试算例得 到了一些有价值的结论，并证明了该优化方法的可行性，高效性，为今后开展更深层次的研究 打下基础。 关键词：叶轮机，气动优化，叶素一动量理论，并行遗传算法，叶片设计，多层参数化 基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计 a b s t r a c t t u r b om a c h i n e ，w h i c hh a sav e r yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，i sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei n v a r i o u sa r e a so ft h en a t i o n a le c o n o m y a sak e yc o m p o n e n to ft h et u r b om a c h i n e ，b l a d e ss h a p e s i g n i f i c a n t l ya f f e c t st h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h et u r b om a c h i n e i nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h g r o u p sw o r k ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ea e r o d y n a m i co p t i m i z a t i o nm e t h o do ft h et u r b om a c h i n eb l a d e ， a n dc o n d u c t e da na u t o m a t i c a l l yo p t i m i z a t i o no ft h et u l b om a c h i n eb l a d eb ys y n t h e s i z i n gv i s c o u sb o d y f o r c ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，c o m m e r c i a lc f ds o f t w a r e ，m u l t i - p a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o d sa n dt h e p a r a l l e lg e n e t i ca l g o r i t h m t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： i nt h ef i r s tp a r t ，b a s e do nb l a d ee l e m e n tm o m e n t u mt h e o r yt h i sp a p e rr e s e a r c h e do n 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 cp e r f o r m a n c ec o m p u t e rp r o g r a mo fw i n dm a c h i n e s ，a n di m p r o v e s p r e d i c t i o na c c u r a c yb yl e a d i n gi nv a r i o u sc o r r e c t i o nf a c t o r sa n ds t a l ld e l a ym o d e l t h es e c o n dp a r t ，f o rl o w s p e e dw i n dt u r b i n eb l a d ed e s i g ns t u d y , t h i sp a p e rc a r r i e do u ta p r e l i m i n a r ya t t e m p t f i r s t l y , e s t a b l i s ht h ei n i t i a lb l a d es h a p e ，t h e nt oo p t i m i z et h ec h o r dl e n g t ha n dt h e i n s t a l l a t i o na n g l eo ft h eb l a d eb yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mo nt h eb a s i so ft h eb l a d ee l e m e n tt h e o r y c a l c u l a t i o n s f i n a l l y , f m a l i z et h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go ft h eo p t i m i z e dw i n dw h e e l a n du s i n g c f dm e t h o dt oc o n d u c ti n d e p t ha n a l y s i so ft h ed e s i g np o i n t t h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ls t u d y p r o v e dt h a tt h eo p t i m i z e d w i n dt u r b i n eb l a d eh a sag o o da e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea tl o ww i n ds p e e d t h et h i r dp a r tc a r r i e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tt h el a r g ei n d u s t r i a lc o o l i n gf a n t h e nt o o p t i m i z et h ea i r f o i lo ft h ew i n dt u r b i n eb l a d e 谢廿lt h ea i mo fi m p r o v i n gt h el i f t - d r a gr a t i oa td i f f e r e n t a t t a c ka n g l e su n d e rt h ep r e m i s eo fe n s u i n gah i g ha c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o n ，a n da p p l i e dt h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t st op r a c t i c a le n g i n e e r i n g t h el a s tp a r ti sa b o u tt h ef a n c o m p r e s s o rb l a d e si nt h eo p t i m i z a t i o n t h i sp a p e ri m p r o v e dt h e m u l t i - p a r a m e t r i cm e t h o d ，a n dc o u p l e di tw i t hg e n e t i ca l g o r i t h ma n df l o wf i e l dc a l c u l a t i o nt ot h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fa i r f o i la n db l a d et h u si n c r e a s e dt h eo p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c y i tg o ts o m e v a l u a b l ec o n c l u s i o n s ，p r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yo ft h eo p t i m i z a t i o nm e t h o db yt e s t i n g e x a m p l e s ，a n dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rad e e p e rr e s e a r c hf o r t h ef u t u r e k e y w o r d s ：t u r b om a c h i n e ，a e r o d y n a m i co p t i m i z a t i o n ，b l a d ee l e m e n tm o m e n t u mt h e o r y , p a r a l l e l g e n e t i ca l g o r i t h m , b l a d ed e s i g n ，m u l t i - p a r a m e t e r 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 风力机叶片1 1 1 2 压气机叶片l 1 2 国内外研究状况2 l - 2 1 风轮叶片优化设计2 1 2 2 航空发动机风扇压气机叶片优化设计3 1 3 本文研究工作。4 第二章基于叶素一动量理论风力机叶片设计5 2 1 叶素一动量理论5 2 1 1 动量理论。5 2 1 2 叶素理论。6 2 1 - 3 叶素一动量理论7 2 1 4 叶尖损失和轮毂损失修正。8 2 1 5 轴向速度诱导因子修正8 2 2 基于叶素一动量理论风力机气动性能计算程序的研制9 2 2 1 计算模型建立9 2 2 2 程序计算流程1 2 2 3 大攻角下二维翼型升、阻力系数计算1 3 2 - 3 1 分离涡模拟简介1 3 2 3 2 分离涡模拟与s a 湍流模型计算结果比较1 5 2 4 算例1 6 2 4 1 风力机参数1 6 2 4 2 计算结果及分析1 8 2 4 3 升、阻力系数对风力机预测精度的影响1 9 2 5 静态失速延迟模型在大风速下风力机预测中的应用2 1 2 5 1 静态失速延迟产生机理2 1 2 5 2 d u s e l i g 静态失速延迟模型。2 l 2 5 3 预测结果及分析2 2 i i i 基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计 2 6 低风速风力机叶片优化设计2 3 2 6 1 初始叶片设计2 3 2 6 2 叶片气动性能优化2 5 2 6 3 叶片气动性能校验2 8 2 7 小结2 9 第三章冷却风机三维数值模拟与优化3 l 3 1 冷却风机内部流场数值模拟31 3 1 1 原始风机计算模型3 l 3 1 2 数值模拟3 l 3 1 3 计算结果及分析3 3 3 2 冷却风机叶片优化设计3 4 3 2 1 s 9 0 4 翼型与原始翼型性能比较3 4 3 2 2 s 9 0 4 翼型优化3 5 3 2 3 三维叶片造型3 6 3 2 4 优化风机性能计算及分析3 7 3 3 小结3 9 第四章压气机风扇二维叶型及三维叶片优化4 0 4 1 自动优化设计方法介绍4 0 4 2 流场数值计算4 1 4 2 1 粘性体积力计算方法4 l 4 2 2 叶片通道网格生成4 2 4 2 3 边界条件与加速收敛技术4 3 4 3 遗传算法4 4 4 3 1 遗传算法基本理论4 4 4 3 2 遗传算法多目标优化处理4 5 4 3 3 遗传算法并行技术一4 6 4 4 参数化方法4 71 4 4 1 二维叶型参数化4 8 4 4 2 三维叶片参数化4 8 4 5 多层参数化概述及其改进4 9 4 5 1 多层参数化概述4 9 4 5 2 叶型多层参数化5 l 4 5 3 叶片多层参数化5 2 i v 南京航空航天人学硕士学位论文 4 5 4 多层参数化方法在遗传算法中的实现5 2 4 5 5 多层参数化算例检验5 3 4 5 6 多层参数化改进5 5 4 6 二维叶型优化设计5 6 4 6 1 设计参数设置5 7 4 6 2 目标函数构造5 7 4 6 3 优化结果及分析。5 7 4 7 三维叶片优化设计5 9 4 7 1 设计参数设置6 0 4 7 2 目标函数构造6 0 4 7 3 流场参数与遗传算法参数6 l 4 7 4 流场计算精度考察6 1 4 7 5 优化结果分析6 3 4 8r o t o r 6 7 转子叶片第二次优化设计6 9 4 8 1 设计参数、优化目标函数及遗传算法参数设置7 0 4 8 2 优化结果分析7 0 4 9d 、结7 7 第五章总结与展望7 8 5 1 总结7 8 5 2 展望7 8 参考文献8 0 至； 谢8 3 在学期间的研究成果及发表的学术论文8 4 v 基于并行遗传算法的n t 轮机叶片优化设计 图表清单 图2 1 风轮流场5 图2 2 一个叶素上的风速风量7 图2 3 风力机运行时的坐标系统9 图2 4 风力机气动性能计算程序流程图1 2 图2 5s a 湍流模型计算网格1 5 图2 6 翼型附近网格局部放大。1 5 图2 7 $ 8 0 9 翼型1 7 图2 8 $ 8 0 9 翼型升力系数与阻力系数1 8 图2 9 叶尖速比一功率系数曲线。1 9 图2 1 0 来流风速一功率曲线1 9 图2 1 1 不同升力系数计算结果比较1 9 图2 1 2 不同阻力系数计算结果比较2 0 图2 1 3 叶根、叶中、叶尖处型面攻角变化2 0 图2 1 4 不同米流风速下风力机输出功率曲线2 3 图2 1 5 $ 8 2 2 翼型几何外型2 4 图2 1 6 $ 8 2 3 翼型儿何外型2 4 图2 1 7 $ 8 2 2 、$ 8 2 3 翼型升力系数2 4 图2 1 8 $ 8 2 2 、$ 8 2 3 翼型阻力系数2 4 图2 1 9 初始风轮气动性能2 5 图2 2 0 初始风轮与优化风轮气动性能比较2 6 图2 2 1 叶片弦长随半径分布曲线2 7 图2 2 2 叶片安装角随半径分布曲线2 7 图2 2 3 叶片三维造型2 7 图2 2 4 叶片三维网格2 8 图2 2 5 优化叶片流线图2 9 图3 1 冷却风机实物图3 l 图3 2 叶片模型图3 2 图3 3 总体网格3 2 图3 4 叶片表面和叶尖间隙局部网格放大图3 2 图3 5 风机流量一性能曲线3 4 图3 6 $ 9 0 4 翼型3 5 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 7 原始风机翼型与s 9 0 4 翼型升阻比曲线。3 5 图3 8 优化翼型与$ 9 0 4 翼型。3 6 图3 9 $ 9 0 4 翼型与优化翼型升阻比曲线3 6 图3 1 0 风机叶片径向截面示意图3 7 图3 1 1 优化风机叶片扭角随半径分布曲线3 7 图3 1 2 冷却风机优化叶片三维造型。3 7 图3 1 3 优化与原始风机性能比较3 8 图3 1 4 轴向和切向速度沿径向分布曲线一3 9 图3 1 5 优化叶片叶尖极限流线3 9 图4 1 自动优化设计流程4 0 图4 2 叶片通道三维网格4 3 图4 3 遗传算法的并行机制4 6 图4 4 叶型修改量分布示意图4 8 图4 5 叶型修改示意图4 8 图4 6 三维曲面修改量b 样条曲面4 9 图4 7b e z i e r 曲线递推算法示意图5 0 图4 8 叶型曲线5 1 图4 9 多层参数化修改量示意图5 l 图4 1 0 不同设计参数个数构成相同样条曲面一5 2 图4 1 1 两层参数化迭代过程示意图。5 3 图4 1 2 曲线逼近优化算例一5 4 图4 1 3 曲线逼近优化算例目标函数迭代曲线。5 4 图4 1 40 - - 3 0 0 代迭代目标函数曲线5 6 图4 1 50 - - - 3 0 0 代迭代目标函数差值曲线5 6 图4 1 6 二维叶型优化目标函数迭代曲线一5 8 图4 1 7 叶型表面马赫数分布曲线一5 8 图4 1 8 流道内部马赫数等值线图一5 9 图4 1 93 2 3 0 5 k g s 流量下切向平均参数沿径向分布6 2 图4 2 03 4 5 7 3 k g s 流量下切向平均参数沿径向分布6 3 图4 2 1 三维优化目标函数迭代曲线一6 4 图4 2 2 等熵效率曲线6 4 图4 2 3 总压比曲线6 4 图4 2 4 优化前后子午面流道6 5 图4 2 5 优化前后叶片型面比较一6 5 图4 2 6 优化前后叶片弯掠缩放变化比较一6 6 v i i 基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计 图4 2 7 切向平均参数沿径向分布6 6 图4 2 8 不同叶高s 1 流面静压分布6 8 图4 2 9 不同叶高s 1 流面马赫数分布6 9 图4 3 0 三维优化目标函数迭代曲线7 0 图4 3 1 等熵效率曲线7 l 图4 3 2 总压比曲线7 l 图4 3 3 优化前后子午面流道7 2 图4 3 4 优化前后叶片型面比较7 2 图4 3 5 优化前后叶片弯掠缩放变化比较7 3 图4 3 6 切向平均参数沿径向分布7 3 图4 3 7 不同叶高s l 流面静压分布7 5 图4 3 8 不同叶高s 1 流面马赫数分布7 6 表2 1 两个攻角下不同湍流模型计算结果一1 6 表2 2 风轮参数1 6 表2 3 截面参数。1 7 表2 4 初始风轮叶片参数2 4 表4 1 算例一计算结果比较5 4 表4 2 算例二计算结果比较5 5 表4 3 改进前后优化结果比较一5 5 表4 4 叶型优化设计参数变化范围一5 7 表4 5 原始与优化叶型流场计算结果5 8 表4 6r o t o r 6 7 叶片型面优化设计参数位置6 0 表4 7 叶轮三维流场计算精度考察6 1 表4 8r o t o r 6 7 叶片型面优化设计参数位置7 0 v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 空气密度 风轮桨叶平面的面积 轴向速度诱导因子 切向速度诱导因子 风轮推力系数 风轮功率系数 叶素来流角 叶素弦长 叶素升力 叶素阻力 翼型升力系数 翼型阻力系数 p r a n d t l 叶尖轮毂总损失系数 分离涡模拟湍流模型 z p q p e h f w 己 a m a a m 魄2 风轮俯仰角 风轮锥角 风轮方位角 单位质量气体总能 滞止焓 壁面剪切应力 交叉算子 变异算子 遗传算法和多层参数化方法结 合应用方法 遗传算法和改进多层参数化方 法结合应用方法 轴向速度诱导因子修正临界点 i x p 彳口g o痧c瓦易q，腿 南京航空航天大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 叶轮机械广泛应用于航空、航天、能源、舰船等各工业部门，在国民经济和国防建设中起 着重要作用。随着叶轮机械向着大功率、高效率发展，必然会对装置的气动性能提出更高的要 求，而叶片的几何形状是影响叶轮机械通流部分效率高低的重要因素，因此必须重视叶片设计 方法的研究。 1 1 1 风力机叶片 长期以来能源一直是世界经济发展中的热点和难点问题，世界能源结构也正在经历一次大 的变革，即从煤炭、石油、天然气为主的能源系统，开始转向以风能、太阳能、水能等可再生 能源为基础的可持续发展的能源系统。其中，风能就是一种储量大、分布广、洁净且最有开发 价值的自然能源。 风力机是将自然界的风能转换成机械能或电能的装置。风力机的重要工作部件是叶片，它 决定了风能转换的效率。因此，提高叶片的气动性能是研究开发风力机的基础与关键，也是 最大的难点之一。 风力机在运转条件下，流动的雷诺数比较低2 1 ，叶片通常在低速、高升力系数状态下运行， 叶片之间流动干扰造成流动非常复杂。目前通常采用航空上先进的飞机机翼翼型设计方法来设 计风力机叶片的形状。先进的c f d 技术已广泛应用于不同类型气动外形的设计，对于低雷诺数、 高升力系数状态下风机运行条件，采用考虑粘性的n s 控制方程分析叶片叶型的流场是非常必 要的。 1 1 2 压气机叶片 轴流压气机作为现代航空发动机三大核心部件之一，在发动机预研和型号研制中占有着非 常重要的地位。随着现代航空工业的高速发展，对发动机提出了更高的要求。要求设计的发动 机具有高推重比、高效率、高压比、大流量、低油耗和宽广的稳定工作范围。要实现上述目的， 从气动设计方面来考虑，就必须提高压气机单级的做功能力和压比。在影响压气机性能的各项因 素中，叶片的几何形状以及气动性能对压气机的整体性能起着关键性的作用，因此，压气机叶 片设计的好坏，直接决定着发动机的整体性能参数，而对于压气机叶片的优化设计就显得尤为 重要。 航空发动机的压气机叶片设计可采用正问题方法、反问题方法和正反问题混合方法。近年 基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计 来，随着计算机技术和流体力学数值计算技术的发展，采用自动优化方法设计压气机叶片日益 受到关注。自动优化方法是将数值优化技术与正问题方法流场计算相结合，由数学过程替代设 计人员经验，控制设计参数修改方向，而叶片形状则由若干个设计参数确定。采用自动优化方 法，叶片设计过程较少依赖于设计人员经验，并且能够将非设计点性能也作为设计目标，实现 全工况叶片的优化设计。同时，高精度的流场计算，在某种程度上代替或减少了昂贵的吹风实 验，从而节省研制经费，缩短研制周期p 。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 风轮叶片优化设计 水平轴风力发电机由于其具有较高的风能利用效率，成为国内外研究的重点。国外丹麦的 风力发电机技术最为成熟，德国和美国紧随其后。国内风力发电技术的开发应用落后于这些欧 美发达国家，尤其是自主设计风力机能力与之有较大差距。 目前存在的叶片设计理论有b e t z 理论4 1 、g l a u e r t 模型5 1 、w i l s o n 模型卅和儒可夫斯基模 型1 。其中，b e t z 理论基于圆盘理论，原理及模型最简单，但是由于在计算过程中简化条件过 多，因而其设计结果与实际有较大的偏差。g l a u e r t 模型、w i l s o n 模型和儒可夫斯基模型基于涡 流理论，模型较为复杂。g l a u e r t 优化设计方法考虑了风轮尾流的叶素理论，是目前常用方法之 一。它注重外形的理论设计，根据结构要求应进行修正和气动性能的计算，以达到优化。但该 方法忽略了翼型阻力和叶尖损失的影响，这两点对叶片外形设计影响较小，但对风轮气动性能 影响较大。w i l s o n 气动优化设计理论是目前常用的方法。该理论对g l a u e r t 设计方法进行了改 进，研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能，从而得 到最佳气动参数和气动外形。目前使用较多的是基于涡流理论的设计模型。 在优化设计方面，d h w o o d p l 采用双重目标对风力机的叶片进行优化设计，综合考虑了额 定风速时的功率输出情况和低风速时的快速启动特性，研究结果显示有较好功率输出特性的叶 片启动特性普遍较差，因而在对风力机进行优化设计时要综合考虑这两个因素。风力机的叶尖 速比对风力机的能量输出和投资成本有直接的影响，n s c e t i n p l 等人开发了一种用来确定具有 不同叶片数和翼型的风轮的最佳叶尖速比的优化程序。m j u r e c z k o 叫等人采用改进的遗传算法 设计了一套优化程序包，从而使风力机在优化设计过程中可以综合考虑多种技术标准和约束条 件。g r c o l l e c u t t 和r g j f l a y 通过研究发现风轮直径、额定功率和塔架的高度和风场的状 况有直接的关系；在优化设计过程中只有将风轮直径和额定功率与年平均风速综合考虑，才能 使发电成本显著的降低；当风场的年平均风速为6 - 8 m s 时风力机的运行效果最佳。 国内方面，包耳纠等根据涡流气动模型，从能量的角度入手，考虑干涉因子和翼型阻力， 提出了叶片翼型的双重优化理论，通过优化设计提高了翼型对变工况的适应能力。刘雄引等提 2 南京航空航天大学硕士学位论文 出了以风力机年能量输出最大为优化目标，采用e c g a 算法搜索最优点的风力机叶片优化设计 模型；优化设计的叶片与已有的1 3 m w 失速型风力机叶片相比，年最大发电量提高了7 5 ， 因而该模型具有很高的实用性。邓兴勇叫等在综合分析各种有关叶轮因素的气动模型的基础 上，建立了一套考虑了风力机各种因素的风轮气动设计数值方法；同以前的方法相比，该方法 大幅度降低了设计工作的周期和成本。 1 2 2 航空发动机风扇压气机叶片优化设计 在上世纪四十年代初期，叶轮机械的气动设计是建立在一维流动的假设基础之上的，叶片 设计的依据是通流部分平均气动参数的变化，以及通过大量平面叶栅实验设计出的多种叶型系 列和实验中取得的丰富实验数据。五十年代初，吴仲华先生提出了两类相对流面( s 1 流面和 s 2 流面) 理论“，把三元流动分解为两类相交流面上的二元流动问题来求解，为叶轮机械内 部流动的计算奠定了扎实的理论基础，在此基础上形成在s 1 、s 2 两类流面上进行的叶轮机械 叶片二维和准三维设计。八十年代以后，以计算机软、硬件的飞速发展为基础，出现了三维无 粘流动欧拉方程解，从九十年代开始发展全三维有粘、定常l - - - l h 定常的n s 方程直接求解方法。 研究者基于全三维流动的数值模拟与机理分析，对叶轮机械叶片进行三维空间中的弯、扭、掠 设计，为叶片设计增加了新的自由度，从而为进一步提高叶轮机械的气动效率创造条件。 近年来，研究者把最优化方法引入到气动设计过程中，用数学过程代替设计人员经验来控 制设计变量的修改方向，采用有效的优化算法搜索到全局最优的设计方案，建立了叶轮机械气 动优化设计方法。设计过程更加严密、精确，并且减少了对研究者经验的依赖，大大缩短了设 计周期。 1 9 8 3 年，s a n g e r 叫首先提出将数值最优化方法与正问题流场计算相结合，实现对控制扩散 静子叶型的气动优化设计。但直至2 0 世纪9 0 年代末，随着计算机技术和流场数值计算技术的 进一步发展，压气机叶片自动优化设计技术才得到快速发展。f r a n k “1 等分别采用基于梯度 方法、遗传算法、单纯形法数值最优化方法对压气机二维叶型进行气动优化设计，设计出的叶 型不仅在设计点性能优越，同时具有较好的非设计点性能。o y a m a 2 们，b e n l , u 2 1 1 采用并行遗 传算法，将轴流风扇叶片型面和积叠线同时作为设计变量实现三维叶片的优化设计，优化叶轮 比原始叶轮设计点效率提高都达到约2 0 。 届内的王仲奇、冯国泰等人对叶片的弯扭成型作了大量的研究，他们分析了弯扭叶 片对边界层径向迁移及横向二次流的影响，提出正弯叶片可以在背弧产生“c ”型压力分布及 附面层的径向迁移，减小端部流动损失。赖宇阳卜叫在i s i g h t 优化集成平台上做了叶片积叠优化 的研究，他采用自动寻优遍历解空间的方法，寻找全局最优解，并认为在计算设定的流动条件 下叶根叶顶均正弯大约是全局最优的设计，该设计比原直叶片设计平均总压损失降低了1 4 。 袁新睁叫等人在i s i g h t 平台上分别对一只亚音速和一只跨音速叶片进行了全三维的优化，并认为 3 基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计 双s 型积叠线形状可以较好的抑制叶根和叶顶附近的二次流，减小流动损失。 1 3 本文研究工作 ( 1 ) 基于叶素理论风力机性能计算程序的研制 建立风力机气动性能计算模型。模型选用叶素一动量理论，并引入叶尖和轮毂损失修正因 子以及静态失速延迟模型，提高计算的精度。根据该模型研制风力机性能计算程序。 ( 2 ) 风机优化实例