轴流压气机多叶片排的气动优化设计.ppt

1、答辩人：尉 涵 导 师：袁新教授 2004年12月23日,轴流压气机多叶片 排的气动优化设计,本论文主要工作,修改并完善了组内叶轮机械气动优化平台 采用组合优化方案对两台压气机进行优化，结果具有一定的实用性,目录,课题的背景和意义 叶片造型技术 CFD评价体系 优化策略 优化算例 结论与展望,课题的背景和意义,课题背景 能源紧张、对高性能压气机的要求 先进的CFD计算技术 叶轮机械优化技术日益成熟 课题意义 研究高性能压气机，降低能源消耗 提高压气机叶型的设计水平 完善叶轮机械气动优化平台,叶轮机械叶型设计方法,正问题方法 反问题方法 气动优化设计法 1999年Pierret.S. 2003年

2、赖宇阳 2004年Stephane Burguburu,目录,课题的背景和意义 叶片造型技术 CFD评价体系 优化策略 优化算例 结论与展望,叶片弯曲变换,二维型面沿周向移动 非均匀有理B样条（NURBS）蒙皮,叶片扭转变换,二维型面绕重心转动 NURBS蒙皮,弯扭联合气动成型,弯扭 NURBS蒙皮,目录,课题的背景和意义 叶片造型技术 CFD评价体系 优化策略 优化算例 结论与展望,FINE/NUMECA流场计算,中心差分 Jameson人工粘性显格式 基于TVD与通量差分分裂方法 方程求解采用多步Runge-Kutta法 S-A一方程湍流模型,IGG/NUMECA网格生成,H-O-H网格,

3、目录,课题的背景和意义 叶片造型技术 CFD评价体系 优化策略 优化算例 结论与展望,优化模型,iSIGHT优化技术分类,探索式技术（MGA、ASA） 全局探索，对设计空间没有特殊要求 效率较低，要对大量设计点进行评价 数值式技术（SQP、MOST） 高效率 大部分要求设计空间单峰、保凸、连续 专家系统技术 需要大量的实际经验来建立规则表,各优化技术的主要特色,叶轮机械气动优化问题的特点,高度非线性 近似模型不够精确 多峰性 数值算法易陷入局部极值 变量数目多 直接优化工作量大,解决方案,直接3D CFD计算 采用组合优化策略 全局探索局部寻优 筛选设计变量，缩小问题规模,并行计算技术,DOE

4、试验设计方法,考察各变量对目标函数和约束的影响程度 对设计空间进行大范围探索,Pareto图,红：负影响 蓝：正影响,基于iSIGHT的集成优化平台,目录,课题的背景和意义 叶片造型技术 CFD评价体系 优化策略 优化算例 结论与展望,算例一：某压气机前3排叶片气动优化 算例二：某压气机9排叶片气动优化,算例一：某压气机前3排叶片,进口总温：288K 进口总压：100292.6Pa 出口静压：半径0.7229米的截面上120000Pa，满足径向平衡方程,造型技术,导叶和静叶弯扭联合 动叶仅做扭转变换 每排叶片选取6个截面，共38个变量,优化问题的特点,多峰性 设计变量数目中等,优化策略,DOE

5、全局探索SQP局部寻优 目标函数：等熵效率 约束条件：流量和压比大于某定值,系统流程图,DOE结果,第219个点 效率最高 流量上升 压比上升,SQP优化历史,第4步 效率最高 流量上升 压比上升,目标函数改进情况,优化前后的叶型,出口S3流面总压分布,静叶叶根流线,S2流面静压,极限流线,全工况性能：特性线,全工况性能：喘振裕度,定义： 原始叶型：0.1438 新叶型：0.1573 比原始叶型提高9.38%,算例一小结,SQP的高效率 DOE的全局性 全工况性能良好,算例二：某压气机9排叶片,给定进口总温、总压、速度分布 出口静压：半径为0.23米的截面上245000Pa 满足径向平衡方程,

6、造型技术,静叶6个截面弯扭联合 动叶4个截面扭转变换 共80个变量,优化问题的特点,多峰性 设计变量数目多,优化策略一：约束优化,DOE筛选变量ASA全局寻优 目标函数：等熵效率 约束条件：流量和压比大于某定值,系统流程图,DOE结果：Pareto图,综合选取变量41个,ASA优化历史图,第419步效率提高了0.414%，压比变化不大，流量下降了0.01%,优化策略二：无约束优化,仅进行扭转变换，共84=32个变量 ASA全局寻优 目标函数：等熵效率 不限制流量和压比,ASA优化历史图,效率提高了3.209%，流量下降了8.7公斤,优化前后的叶型,出口S3流面总压分布,优化后叶型总压降低,全工况性能：特性线,全工况性能：喘振裕度,原始叶型：0.189 新叶型：0.175 比原始叶型降低7%,叶型并未得到真正优化！,算例二小结,DOE缩小问题规模 ASA全局搜索性能 优化结果不能令人满意 改变叶型？ 优化基迭线？,目录,课题的背景和意义 叶片造型技术 CFD评价体系 优化策略 优化算例 结论与展望,结论,DOE试验设计可有效缩小问题规模 ASA算法适合全局范围内搜索最优 SQP对寻找局部极值效率很高 采用并行技术可大大提高计算速