级环境下压气机叶片反问题设计方法研究
压气机叶片的设计方法通常可分为分析设计方法、最优化方法和反问题设计方法等。分析设计方法具有原理简单、易于实现的优点，但存在耗时耗力、设计结果对设计人员的经验依赖性较强等缺陷；采用最优化方法所得的设计结果可靠性较高，但寻优法则的确定并不容易。在反问题设计过程中，设计人员根据设计指标指定目标参数，通过反问题设计算法得到满足该目标参数的造型。反问题设计方法具有资源损耗小、设计效率高、对设计人员经验依赖性弱等优点。本文根据无粘特征波原理，基于冯卡门研究所（VKI）关于压气机叶片的反问题设计方法，发展了一种有效的全三维压气机叶片反问题设计方法，针对其在工程实际应用中需要着重考虑的问题进行了深入讨论，并应用该方法对NASA Lewis研究中心设计的压气机级stage35进行改型设计，提升其性能。主要研究工作包含以下几个方面： （1）改进了全三维无粘反问题设计流程，对所构建的反问题设计方法的基本原理以及实现方法进行了详细论述。从欧拉方程相关的离散形式的相容关系式出发，在 CFD计算软件NAPA平台上实现了反问题设计方法所涉及的关键技术之一—可渗透壁面边界条件。基于流线（面）追踪的思想通过流量守恒原理实现了另一关键技术——三维壁面修正。 对可渗透壁面边界条件的合理性进行了说明，并对可渗透壁面边界条件和无粘滑移壁面边界条件在边界上压力相同时的归一性进行了论证。提出以叶片前缘附近马赫数最小的网格节点作为壁面修正起始点的思想。 （2）通过修正误差分析（局部截断误差分析和误差的传递）和壁面修正系统对反问题流场参数的敏感性分析，解释了在流动高速区、前缘附近低速区、尾缘附近低速区以及叶片表面其他局部低速区等不同类型的流动区域内壁面修正效果差别较大的现象，得出网格结构、流场参数和壁面修正误差三者之间的关系，并针对壁面附近局部低速区内三维壁面修正误差较大的现象，提出了一种几乎不增加设计时间的减小壁面修正误差的简易处理办法。 （3）基于本课题组自主研发的MPI/OpenMP混合并行化 NAPA平台，通过在并行化NAPA的边界条件模块中嵌入可渗透壁面边界条件的方式，实现了反问题设计方法的大规模并行化，提高了反问题设计效率。 给出了三种常用的反问题设计方法相关的目标参数控制策略，增强了反问题设计方法的工程实用性。 （4）搭建了三维粘性反问题设计流程，并分别通过无粘和粘性反问题设计流程对stage35压气机级的转子叶片进行优化设计，得到了性能提升的改型stage35。 在无粘反问题设计点，相比于初始stage35，改型stage35的总压比提高0.52％，等熵效率提高3.57个百分点；在粘性反问题设计点，相比于初始 stage35，改型 stage35的总压比提高0.93%，等熵效率提高2个百分点。
压气机叶片;航空发动机;可渗透壁面;误差分析;反问题设计
南京航空航天大学
硕士
航空宇航推进理论与工程
黄国平
2014
中文
V231.3
78
2016-03-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）