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轴流压气机气动数值优化设计与分析

作　者: 马兆龙
导　师: 张宏武
学　校: 中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
专　业: 热能工程
关键词: 叶轮机械跨音压气机气动优化设计人工神经网络遗传算法
分类号: TH453
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

先进的涡轮动力系统对风扇/压气机气动性能的要求不断提高,不断发展和完善的设计方法及工具是完成日益苛刻的设计要求的重要保证。以粘性、全三维气动数值模拟为分析手段的设计技术日益成熟,而气动数值优化设计在现代设计体系中发挥着越来越重要的作用,并已成为叶轮机械领域的研究热点。本文以某单级跨音压气机为研究对象,以提高其压比、效率和扩大稳定工作范围为目标,对该压气机进行了多目标气动优化,并着重分析了提高跨音级压气机气动性能的关键因素。本文首先对原型压气机进行全三维数值模拟,数值求解相对坐标系下的三维、粘性Navier-Stokes雷诺平均方程,计算结果表明该数值方法能很好的预测跨音速轴流压气机的性能,保证了计算的可靠性。优化设计系统分为三个模块：参数化方法、全三维流场评价和寻优算法。参数化采用Bezier曲线重构原始压气机几何型线(子午通道、叶片),先后通过反算控制顶点和拟合寻优以减小构造曲线和原始型线的误差,尽可能达到精确逼近的效果；全三维流场计算及评价目的是对设计参数进行性能评估,以供优化算法进行优劣比较并做出裁决；寻优算法是设计系统的核心部分,它直接决定了寻优的效率和效果,本文采用基于人工神经网络(ANN)和遗传算法(GA)的复合寻优策略。神经网络作为一种近似模型,用于缩小问题的求解规模,遗传算法作为一种模拟自然进化机制的算法,理论上可以达到全局寻优,实际应用中给定适当的参数,遗传算法可以在较大的设计空间内搜索到良好的结果。应用该优化设计系统,本文首先针对叶片积叠线进行优化,旨在探索积叠线对跨音级压气机性能的影响。研究表明,弯掠设计可以改善叶轮机械内部流动,调整激波位置和强度,使负荷在弦向和展向得以重新分配,具有重新组织流动的效用。积叠线优化表明,弯、掠两个维度的联合使用可以明显的提高压气机的性能。压气机内部的流动状况和负荷的分布还与二维叶型密切相关,本文第二阶段的三维优化,既考虑积叠线,又兼顾叶型的修改,实现了压气机性能的进一步提升。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-25
  1.1 课题背景与意义  9-10
  1.2 叶轮机械设计体系和方法  10-16
    1.2.1 叶轮机械气动设计体系  11-13
    1.2.2 压气机气动设计方法概述  13-16
  1.3 叶轮机械气动优化设计  16-22
    1.3.1 优化设计研究历史与进展  16-20
    1.3.2 三维空间气动造型  20-21
    1.3.3 级环境下的优化设计  21-22
  1.4 论文的主要内容  22-25
第二章压气机参数化造型  25-39
  2.1 引言  25-27
  2.2 Bezier曲线  27-31
    2.2.1 Bezier曲线定义  27-30
    2.2.2 Bezier曲线拟合  30-31
  2.3 基于Bezier曲线的参数化造型  31-39
    2.3.1 子午通道参数化  31-32
    2.3.2 二维叶型参数化  32-36
    2.3.3 积叠线参数化  36-39
第三章全三维流场计算与组合优化算法  39-57
  3.1 引言  39
  3.2 控制方程和计算方法  39-44
    3.2.1 控制方程  39-41
    3.2.2 湍流模型  41-42
    3.2.3 数值方法  42-43
    3.2.4 叶片排交界面处理方法  43
    3.2.5 定解条件  43-44
  3.3 基于人工神经网络和遗传算法的组合寻优方法  44-55
    3.3.1 优化问题的描述  44
    3.3.2 组合优化设计体系  44-45
    3.3.3 数据库生成步骤  45-46
    3.3.4 人工神经网络  46-50
    3.3.5 遗传算法  50-55
  3.4 小结  55-57
第四章跨音压气机气动优化设计与分析  57-83
  4.1 算例介绍  57-65
    4.1.1 原型压气机计算  58-60
    4.1.2 计算结果  60-65
  4.2 动叶积叠线优化  65-73
    4.2.1 单工况优化  65-69
    4.2.2 多工况优化  69-73
  4.3 动、静叶的多工况三维优化  73-82
    4.3.1 动叶三维优化  73-75
    4.3.2 静叶三维优化  75-82
  4.4 小结  82-83
第五章总结  83-85
参考文献  85-95
攻读硕士学位期间发表的论文  95-97
致谢  97

轴流压气机气动数值优化设计与分析

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