專利名稱：壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動機壓氣機優(yōu)化設(shè)計方法，尤其涉及一種優(yōu)化葉片壁面渦量 流分布的壓氣機設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
壓氣機是航空發(fā)動機的三大部件之一，起到對氣流壓縮作功的作用。壓氣機的總性 能指標(biāo)包括流量、壓比、效率等。計箅流體力學(xué)(CFD)和各種優(yōu)化算法的發(fā)展促進(jìn) 了壓氣機氣動數(shù)值優(yōu)化的發(fā)展。壓氣機氣動優(yōu)化， 一般設(shè)定總性能指標(biāo)如壓比或效率作 為目標(biāo)函數(shù)，也可能選用兩個以上指標(biāo)組合形成多目標(biāo)函數(shù)，在一定的約束條件下，以 CFD為分析工具，針對葉型或彎掠形式進(jìn)行優(yōu)化。
壓氣機氣動數(shù)值優(yōu)化可以減弱對設(shè)計者經(jīng)驗的依賴，讓計算機代替人自動尋找到較 優(yōu)的設(shè)計方案，可以大大減少人為修改的工作量。但數(shù)值優(yōu)化目前也存在一些問題，如 優(yōu)化時間較長，成本高，特別是對于需利用CFD求解壓氣機內(nèi)部三維流動的情況，優(yōu) 化過程中需多次求解流場，耗時更長；另外，由于設(shè)定的是總性能參數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)， 優(yōu)化過程中缺少對流動物理機理的把握,優(yōu)化的參數(shù)缺少針對性，也會使優(yōu)化代價很高， 有時收益也較小。
壓氣機內(nèi)部是個高強度的復(fù)雜渦量場，壁面是渦量產(chǎn)生的主要根源。壁面渦量流反映了渦量在壁面的生成率，其是流場內(nèi)部產(chǎn)生分離和旋渦的壁面根源，可以揭示出渦量 生成率大的關(guān)鍵區(qū)域。壁面渦量流定義為動力粘性系數(shù)與壁面渦量法向梯度的乘積，
o=/"t (1) 其中CT為壁面渦量流，//為動力粘性系數(shù)，CO為壁面渦量，Il為壁面法向量。
若能在優(yōu)化過程中控制壁面渦量流分布，針對壁面渦量流揭示出的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)
化，有望在優(yōu)化過程中把握流動機理，有針對性地進(jìn)行優(yōu)化，從而縮短優(yōu)化時間，提高
優(yōu)化效率。
傳統(tǒng)的優(yōu)化方法至少存在以下方面可以補充
(1) 將壁面渦量流作為診斷參數(shù)放入優(yōu)化過程中，控制葉片壁面渦量流分布；
(2) 針對壁面渦量流揭示出的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，提高優(yōu)化效率。
發(fā)明內(nèi) 容
作為壓氣機傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法的補充，本發(fā)明提供一種壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法。 圖1為本發(fā)明的壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法的流程圖。與一般優(yōu)化方法所不同的 是，本發(fā)明的方法在優(yōu)化過程中以壁面渦量流峰{直積分為目標(biāo)函數(shù)或約束條件，針對壁 面渦量流診斷揭示的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到控制壁面渦量流并提高壓氣機性能的目 的。
壁面渦量流是流場內(nèi)部產(chǎn)生分離和旋渦的壁面根源，壁面渦量流診斷能揭示出葉片 壁面渦量生成率大的關(guān)鍵區(qū)域，如圖2所示為一跨聲轉(zhuǎn)子吸力面壁面渦量流分布，可以 清晰地發(fā)現(xiàn)一條由激波/附面層干擾引起的正峰值帶，其將引起流動分離，對壓氣機加 功增壓不利，對于轉(zhuǎn)子應(yīng)減弱正峰值并盡量將其推向下游。改進(jìn)壁面渦量流分布的方向為降低引起分離的峰值，使其位置推向下游，盡量使其分布平滑。將壁面渦量流作為 葉片表面診斷參數(shù)放入壓氣機優(yōu)化設(shè)計過程中，以壁面渦量流峰值積分為目標(biāo)函數(shù)，或 仍以總性能參數(shù)壓比、效率作為目標(biāo)函數(shù)而將壁面渦量流峰值積分作為約束條件，針對 葉片葉型或彎掠形式進(jìn)行優(yōu)化，尤其可以針對壁面渦量流揭示出的關(guān)鍵區(qū)域如圖1的跨 聲轉(zhuǎn)子葉中區(qū)域截面進(jìn)行優(yōu)化，形成一種壁面渦量流指導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計方法。
本發(fā)明的內(nèi)容是一種壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法，包括具有葉片壁面渦量流診斷功 能，以及將壁面渦量流峰值積分作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件針對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的 功能。


圖1為本發(fā)明的壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法流程圖2為跨聲轉(zhuǎn)子吸力面靜壓和壁面渦量流分布對比((a)為靜壓分布，(b)為壁面渦 量流分布)；
圖3為跨聲轉(zhuǎn)子優(yōu)化前后特性曲線對比；
圖4為跨聲轉(zhuǎn)子優(yōu)化前后吸力面壁面渦量流分布對比((a)為優(yōu)化前，(b)為優(yōu)化后)； 圖5為跨聲轉(zhuǎn)子優(yōu)化前后葉根、中、尖葉型對比((a)為葉根，(b)為葉中，(c)為 葉尖)。
具體實施例方式
本發(fā)明的壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法其具體實施方式
如圖1所示，包括 步驟1、對原型進(jìn)行三維粘性CFD分析，根據(jù)壁面渦量流定義得到葉片壁面渦量流分 布；步驟2、判斷壁面渦量流分布是否合理，具體觀察是否有明顯的壁面渦量流峰值區(qū)域，
結(jié)合流場分析該峰值是否造成了流動分離，若是，則需進(jìn)行壁面渦量流優(yōu)化；
步驟3、根據(jù)壁面渦量流診斷結(jié)果改變關(guān)鍵區(qū)域幾何參數(shù)包括葉型和彎掠形式等，其
中需分析改變何種幾何形式對控制該區(qū)域流動最有效果；
步驟4、重新生成三維葉片幾何，進(jìn)行流場CFD分析，得到葉片壁面渦量流分布，求 得以壁面渦量流形式表達(dá)的目標(biāo)函數(shù)值，與原型進(jìn)行比較；
步驟5、運用一定的優(yōu)化算法，確定設(shè)計參數(shù)下一步迭代的方向，經(jīng)過反復(fù)計箅尋優(yōu)， 最終得到最優(yōu)的結(jié)果，使葉片壁面渦量流分布合理，壓氣機性能提高。
運用該設(shè)計方法^f一跨聲轉(zhuǎn)子葉型進(jìn)行了優(yōu)化。以壁面渦量流形式表達(dá)的轉(zhuǎn)子加功 量作為目標(biāo)函數(shù)(如(2)式)，針對三次曲線參數(shù)化(如(3)式)的截面葉型中弧線 進(jìn)行優(yōu)化。
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(2)
jF = q + "2x + "3x + "3x (3) 如圖3為優(yōu)化后轉(zhuǎn)子與原型的特性曲線對比，左為流量一壓比特性曲線，右為流量 一效率特性曲線，黑色空心點為優(yōu)化前特性，紅色實心點為優(yōu)化后特性?？梢园l(fā)現(xiàn)優(yōu)化 后轉(zhuǎn)子壓比、效率都大大提高。峰值效率點壓比提高了 5.73%，效率提高了1.12%。 圖4為優(yōu)化前后的吸力面壁面渦量流分布對比(左為優(yōu)化前，右為優(yōu)化后)，優(yōu)化后吸 力面壁面渦量流正峰值減弱，范圍縮小，位置后移，減弱了激波強度推遲了分離，從而 提高了葉片加功量和效率。圖5為優(yōu)化前后葉根、中、尖的葉型對比。以上結(jié)果證明了 該發(fā)明的壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法能高效地進(jìn)行壓氣機優(yōu)化設(shè)計。
本發(fā)明優(yōu)點在于借助于葉片壁面渦量流診斷揭示出關(guān)鍵流動區(qū)域，將其放入優(yōu)化過 程中，以壁面渦量流峰值積分作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件，針對揭示的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而在優(yōu)化過程中把握流動機理，有針對性地進(jìn)行優(yōu)化，減少了對設(shè)計者經(jīng)驗性 的依賴，提高了優(yōu)化效率。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替 換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，包括步驟(1)對原型進(jìn)行三維粘性CFD分析，根據(jù)壁面渦量流的定義得到葉片壁面渦量流分布；(2)判斷壁面渦量流分布是否合理，具體觀察是否有明顯的壁面渦量流峰值區(qū)域，結(jié)合流場分析該峰值是否造成了流動分離，若是，則需進(jìn)行壁面渦量流優(yōu)化；(3)根據(jù)壁面渦量流診斷結(jié)果改變關(guān)鍵區(qū)域幾何參數(shù)包括葉型和彎掠形式等；(4)重新生成三維葉片幾何，進(jìn)行流場CFD分析，得到葉片壁面渦量流分布，求得以壁面渦量流形式表達(dá)的目標(biāo)函數(shù)值；(5)運用一定的優(yōu)化算法如模擬退火算法，確定設(shè)計參數(shù)下一步迭代的方向，經(jīng)過反復(fù)計算尋優(yōu)，最終得到最優(yōu)的結(jié)果。
2、 如權(quán)利要求l所述的壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，借助于葉片壁面 渦量流診斷揭示出關(guān)鍵流動區(qū)域，將壁面渦量流放入優(yōu)化過程中，以壁面渦量流 峰值積分作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件，針對壁面渦量流揭示的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計。
3、 如權(quán)利要求1所述的壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，將壁面渦量流作 為葉片表面診斷參數(shù)。
4、 如權(quán)利要求1所述的壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，較優(yōu)的壁面渦量 流分布形式為降低引起分離的峰值，將其位置推向下游，盡量使其分布平滑。
5、 如權(quán)利要求1所述的壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，將壁面渦量流形 式表達(dá)的函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件進(jìn)行優(yōu)化。
6、 如權(quán)利要求1所述的壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，針對壁面渦量流 診斷揭示的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓氣機壁面渦優(yōu)化設(shè)計方法。壁面渦量流是流場旋渦和分離產(chǎn)生的壁面根源，壁面渦量流診斷能揭示出葉片壁面渦量生成率高的關(guān)鍵區(qū)域，將壁面渦量流放入優(yōu)化過程中，以壁面渦量流峰值積分作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件，針對壁面渦量流揭示的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，控制葉片壁面渦量流分布并提高壓氣機性能，該設(shè)計方法在優(yōu)化過程中把握了流動機理，有針對性地進(jìn)行優(yōu)化，減少了對設(shè)計者經(jīng)驗性的依賴，提高了優(yōu)化效率。
文檔編號F04D29/30GK101418813SQ20081023944
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者侯安平, 宏 吳, 盛 周, 李秋實, 陸亞鈞 申請人:北京航空航天大學(xué)