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基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计

作　者: 章嘉麟
导　师: 周正贵
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 叶轮机气动优化叶素-动量理论并行遗传算法叶片设计多层参数化
分类号: V232.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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,它的造型好坏很大程度上影响着叶轮机的气动性能。本文针对叶轮机械叶片的气动优化方法进行了研究,在课题组工作基础上,综合粘性体积力计算方法、商用CFD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—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-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CFD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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-17
  1.1 研究背景及意义  13-14
    1.1.1 风力机叶片  13
    1.1.2 压气机叶片  13-14
  1.2 国内外研究状况  14-16
    1.2.1 风轮叶片优化设计  14-15
    1.2.2 航空发动机风扇/压气机叶片优化设计  15-16
  1.3 本文研究工作  16-17
第二章基于叶素－动量理论风力机叶片设计  17-43
  2.1 叶素－动量理论  17-21
    2.1.1 动量理论  17-18
    2.1.2 叶素理论  18-19
    2.1.3 叶素－动量理论  19-20
    2.1.4 叶尖损失和轮毂损失修正  20
    2.1.5 轴向速度诱导因子修正  20-21
  2.2 基于叶素－动量理论风力机气动性能计算程序的研制  21-25
    2.2.1 计算模型建立  21-24
    2.2.2 程序计算流程  24-25
  2.3 大攻角下二维翼型升、阻力系数计算  25-28
    2.3.1 分离涡模拟简介  25-27
    2.3.2 分离涡模拟与S-A 湍流模型计算结果比较  27-28
  2.4 算例  28-33
    2.4.1 风力机参数  28-30
    2.4.2 计算结果及分析  30-31
    2.4.3 升、阻力系数对风力机预测精度的影响  31-33
  2.5 静态失速延迟模型在大风速下风力机预测中的应用  33-35
    2.5.1 静态失速延迟产生机理  33
    2.5.2 Du-Selig 静态失速延迟模型  33-34
    2.5.3 预测结果及分析  34-35
  2.6 低风速风力机叶片优化设计  35-41
    2.6.1 初始叶片设计  35-37
    2.6.2 叶片气动性能优化  37-40
    2.6.3 叶片气动性能校验  40-41
  2.7 小结  41-43
第三章冷却风机三维数值模拟与优化  43-52
  3.1 冷却风机内部流场数值模拟  43-46
    3.1.1 原始风机计算模型  43
    3.1.2 数值模拟  43-45
    3.1.3 计算结果及分析  45-46
  3.2 冷却风机叶片优化设计  46-51
    3.2.1 S904 翼型与原始翼型性能比较  46-47
    3.2.2 S904 翼型优化  47-48
    3.2.3 三维叶片造型  48-49
    3.2.4 优化风机性能计算及分析  49-51
  3.3 小结  51-52
第四章压气机/风扇二维叶型及三维叶片优化  52-90
  4.1 自动优化设计方法介绍  52-53
  4.2 流场数值计算  53-56
    4.2.1 粘性体积力计算方法  53-54
    4.2.2 叶片通道网格生成  54-55
    4.2.3 边界条件与加速收敛技术  55-56
  4.3 遗传算法  56-59
    4.3.1 遗传算法基本理论  56-57
    4.3.2 遗传算法多目标优化处理  57-58
    4.3.3 遗传算法并行技术  58-59
  4.4 参数化方法  59-61
    4.4.1 二维叶型参数化  60
    4.4.2 三维叶片参数化  60-61
  4.5 多层参数化概述及其改进  61-68
    4.5.1 多层参数化概述  61-63
    4.5.2 叶型多层参数化  63-64
    4.5.3 叶片多层参数化  64
    4.5.4 多层参数化方法在遗传算法中的实现  64-65
    4.5.5 多层参数化算例检验  65-67
    4.5.6 多层参数化改进  67-68
  4.6 二维叶型优化设计  68-71
    4.6.1 设计参数设置  69
    4.6.2 目标函数构造  69
    4.6.3 优化结果及分析  69-71
  4.7 三维叶片优化设计  71-81
    4.7.1 设计参数设置  72
    4.7.2 目标函数构造  72-73
    4.7.3 流场参数与遗传算法参数  73
    4.7.4 流场计算精度考察  73-75
    4.7.5 优化结果分析  75-81
  4.8 Rotor67 转子叶片第二次优化设计  81-89
    4.8.1 设计参数、优化目标函数及遗传算法参数设置  82
    4.8.2 优化结果分析  82-89
  4.9 小结  89-90
第五章总结与展望  90-92
  5.1 总结  90
  5.2 展望  90-92
参考文献  92-95
致谢  95-96
在学期间的研究成果及发表的学术论文  96

基于并行遗传算法的叶轮机叶片优化设计

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