[發明專利]壓氣機壁面渦優化設計方法

無效

• 申請號: 200810239446.4
• 申請日: 2008-12-10
• 公開（公告）號: CN101418813A
• 公開（公告）日: 2009-04-29
• 發明（設計）人: 李秋實;侯安平;吳宏;周盛;陸亞鈞
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F04D29/30
• 分類號: F04D29/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種航空發動機壓氣機優化設計方法，尤其涉及一種優化葉片壁面渦量流分布的壓氣機設計方法。

背景技術

壓氣機是航空發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包括流量、壓比、效率等。計算流體力學(CFD)和各種優化算法的發展促進了壓氣機氣動數值優化的發展。壓氣機氣動優化，一般設定總性能指標如壓比或效率作為目標函數，也可能選用兩個以上指標組合形成多目標函數，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行優化。

壓氣機氣動數值優化可以減弱對設計者經驗的依賴，讓計算機代替人自動尋找到較優的設計方案，可以大大減少人為修改的工作量。但數值優化目前也存在一些問題，如優化時間較長，成本高，特別是對于需利用CFD求解壓氣機內部三維流動的情況，優化過程中需多次求解流場，耗時更長；另外，由于設定的是總性能參數作為目標函數，優化過程中缺少對流動物理機理的把握，優化的參數缺少針對性，也會使優化代價很高，有時收益也較小。

壓氣機內部是個高強度的復雜渦量場，壁面是渦量產生的主要根源。壁面渦量流反映了渦量在壁面的生成率，其是流場內部產生分離和旋渦的壁面根源，可以揭示出渦量生成率大的關鍵區域。壁面渦量流定義為動力粘性系數與壁面渦量法向梯度的乘積，

σ=μ∂ω∂n---(1)]]>

其中σ為壁面渦量流，μ為動力粘性系數，ω為壁面渦量，n為壁面法向量。

若能在優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鍵區域進行優化，有望在優化過程中把握流動機理，有針對性地進行優化，從而縮短優化時間，提高優化效率。

傳統的優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放入優化過程中，控制葉片壁面渦量流分布；

(2)針對壁面渦量流揭示出的關鍵區域進行優化，提高優化效率。

發明內容

作為壓氣機傳統優化設計方法的補充，本發明提供一種壁面渦優化設計方法。

圖1為本發明的壓氣機壁面渦優化設計方法的流程圖。與一般優化方法所不同的是，本發明的方法在優化過程中以壁面渦量流峰值積分為目標函數或約束條件，針對壁面渦量流診斷揭示的關鍵區域進行優化，達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部產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鍵區域，如圖2所示為一跨聲轉子吸力面壁面渦量流分布，可以清晰地發現一條由激波/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，對于轉子應減弱正峰值并盡量將其推向下游。改進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放入壓氣機優化設計過程中，以壁面渦量流峰值積分為目標函數，或仍以總性能參數壓比、效率作為目標函數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行優化，尤其可以針對壁面渦量流揭示出的關鍵區域如圖1的跨聲轉子葉中區域截面進行優化，形成一種壁面渦量流指導的優化設計方法。

本發明的內容是一種壓氣機壁面渦優化設計方法，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函數或約束條件針對關鍵區域進行優化設計的功能。

附圖說明

圖1為本發明的壓氣機壁面渦優化設計方法流程圖；

圖2為跨聲轉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為跨聲轉子優化前后特性曲線對比；

圖4為跨聲轉子優化前后吸力面壁面渦量流分布對比((a)為優化前，(b)為優化后)；

圖5為跨聲轉子優化前后葉根、中、尖葉型對比((a)為葉根，(b)為葉中，(c)為葉尖)。

具體實施方式