本公开属于结构设计技术领域，尤其涉及一种网格参数化方法，以及基于该网格参数化方法的轴流涡轮气动优化设计方法。
背景技术：
叶轮机械被广泛应用于航空推进、舰船推进、工业发电等领域，是世界各国重点发展的高端装备。作为叶轮机械的核心部件，叶片直接决定了叶轮机械整机效率、功率等。为了尽可能提高叶轮机械的性能，现代叶轮机械往往通过优化获得最佳设计方案。
以往进行叶轮机械气动优化迭代时，需要根据造型设计方法生成叶片的气动外形，利用网格划分工具生成气动分析网格，调用计算流体力学程序进行气动分析；在优化过程中，气动外形和网格划分只能采用自动化方法生成；而自动化的网格划分，往往只能进行简单的网格划分，很难获取高质量的分析网格。伴随着叶轮机械气动性能的提高，叶轮机械流动速度越来越高、内部流动越来越复杂，需要进行精细化的网格划分才能捕捉边界层、叶顶泄露、尾迹等流动特征。但是优化过程中自动化划分生成的网格质量难以保证气动分析的精度。
因此，有必要提出一种网格参数化方法用以解决上述问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现要素：
本公开的目的在于提供一种网格参数化方法及基于该网格参数化方法的轴流涡轮气动优化设计方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的一个方面，提供一种网格参数化方法，包括：
根据叶轮机械气动分析网格的结构特点，将三维气动分析网格分解为不同叶展高度的二维截面气动分析网格；
设计所述二维截面气动分析网格控制体的拓扑结构，建立叶片设计参数与控制体节点坐标位移之间的关系；
根据所述设计参数与所述控制体节点坐标位移之间的关系将所述二维截面气动分析网格参数化；
在所述二维截面气动分析网格参数化的基础上，建立不同叶展高度的所述控制体；
根据所述设计参数与不同叶展高度的所述控制体节点坐标位移之间的关系将所述三维气动分析网格参数化。
本公开的一种示例性实施例中，所述设计所述二维截面气动分析网格控制体的拓扑结构，建立叶片设计参数与控制体节点坐标位移之间的关系；包括：
利用所述设计参数，根据叶型造型方法计算叶型点，并建立叶片型线控制节点；
根据流道特点建立流道控制节点；
建立所述流道控制节点与所述叶片型线控制节点的关联移动。
本公开的一种示例性实施例中，所述利用所述设计参数，根据叶型造型方法计算叶型点，并建立叶片型线控制节点；包括：
以所述叶片轴向弦长lw、安装角γ、进口气流角β1、出口气流角β2以及中弧线曲线控制点权重作为设计参数；
根据几何关系通过所述叶片轴向弦长lw、安装角γ、进口气流角β1、出口气流角β2确定中弧线控制点p1，p2，p3；
由所述中弧线控制点p1，p2，p3及所述中弧线曲线控制点权重确定中弧线；
等分所述中弧线，并确定等分点的曲线坐标，所述等分点的曲线坐标即为叶型点；
根据所述叶型点和所述叶片的型线厚度分布确定所述叶片型线控制节点。
本公开的一种示例性实施例中，所述根据几何关系通过所述叶片轴向弦长lw、安装角γ、进口气流角β1、出口气流角β2确定中弧线控制点p1，p2，p3；包括：
根据所述叶片位置给出所述控制点p1的坐标(x1，y1)；
所述控制点p2坐标(x2，y2)的计算公式为：
x2＝lw/cosγ/sin(180-β1-β2)·sin(β2-γ)·sin(90+β1)+x1
y2＝lw/cosγ/sin(180-β1-β2)·sin(β2-γ)·cos(90+β1)+y1
所述控制点p3坐标(x3，y3)的计算公式为：
x3＝lw+x1
y3＝lw·tanγ+y1
本公开的一种示例性实施例中，所述根据流道特点建立流道控制节点；包括：
根据所述二维截面气动分析网格控制体的流道轮廓，结合所述叶片型线控制节点的位置，建立所述流道控制节点。
本公开的一种示例性实施例中，所述建立所述流道控制节点与所述叶片型线控制节点的关联移动；包括：
将所述叶型点、叶片型线控制节点和所述流道控制节点分为前缘控制点、吸力面控制点、中弧线控制点、压力面控制点和尾缘控制点；
通过变形方法建立所述控制点之间的关联移动。
本公开的一种示例性实施例中，所述网格参数化方法还包括：
建立多排叶片所述控制体，根据所述设计参数与所述多排叶片的所述控制体节点坐标位移之间的关系将所述多排叶片的气动分析网格参数化。
根据本公开的一个方面，提供一种轴流涡轮气动优化设计方法，包含如权利要求1～7任一项所述的网格参数化方法。
本公开的一种示例性实施例中，所述气动优化设计方法包括：
确定气动优化的设计参数，根据所述网格参数化方法对网格进行参数化变形；
根据所述设计参数的数量，确定气动优化的设计变量；
根据所述设计变量的数量，使用最优拉丁超立方方法设计样本点，并通过所述样本点建立kriging代理模型；
使用所述kriging代理模型代替气动分析过程，选用特定算法对所述轴流涡轮进行多目标优化分析。
本公开的一种示例性实施例中，所述特定算法为多岛遗传算法。
本公开示例性实施方式所提供的网格参数化方法，该网格参数化方法实现了气动设计变量与气动分析网格的关联变形，保证了网格变形与气动设计变量变化的一致性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据一实施方式示出的网格参数化方法的流程示意图；
图2是图1示出的叶片气动分析网格控制体的示意图；
图3是根据一实施方式示出的中弧线设计方法的示意图；
图4是图3示出的中弧线叶型点的示意图；
图5是图3示出的中弧线叶片型线控制节点的示意图；
图6是图5示出的叶片型线的示意图；
图7是图1示出的二维截面气动分析网格控制体的示意图；
图8是根据一实施方式示出网格变形前后的对比图；
图9是二维截面实体与图8示出的变形后网格的对比图；
图10是根据一实施方式示出的轴流涡轮气动优化设计方法的流程示意图；
图11是基于图1示出的网格参数化方法的气动优化设计流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
如图1所示，本实施方式提供一种网格参数化方法，该网格参数化方法主要包括：
s11、根据叶轮机械气动分析网格的结构特点，将三维气动分析网格分解为不同叶展高度的二维截面气动分析网格；
s12、设计所述二维截面气动分析网格控制体的拓扑结构，建立叶片设计参数与控制体节点坐标位移之间的关系；
s13、根据所述设计参数与所述控制体节点坐标位移之间的关系将所述二维截面气动分析网格参数化；
s14、在所述二维截面气动分析网格参数化的基础上，建立不同叶展高度的所述控制体；
s15、根据所述设计参数与不同叶展高度的所述控制体节点坐标位移之间的关系将所述三维气动分析网格参数化。
本公开示例性实施方式所提供的网格参数化方法实现了气动设计参数与气动分析网格的关联变形，保证了网格变形与气动设计参数变化的一致性。下面结合附图对本示例实施方式所提供的网格参数化方法进行详细说明。
如图2所示，在步骤s11中，根据叶轮机械气动分析网格的结构特点，将三维气动分析网格分解为不同叶展高度的二维截面气动分析网格。
在本实施方式中，设计二维截面气动分析网格控制体的拓扑结构，建立气动设计参数与控制体节点坐标位移之间的关系。步骤s12主要包括如下步骤：
s121、利用气动设计参数，根据叶型造型方法计算叶型点，并建立叶片型线控制节点；
s122、根据流道特点建立流道控制节点；
s123、建立流道控制节点与叶片型线控制节点的关联移动。
如图3、图4、图5和图6所示，在本实施方式中，步骤s121可以包括：
s1211、以叶片轴向弦长lw、安装角γ、进口气流角β1、出口气流角β2以及中弧线曲线控制点权重作为设计参数；
s1212、根据几何关系通过叶片轴向弦长lw、安装角γ、进口气流角β1、出口气流角β2确定中弧线控制点p1，p2，p3；
s1213、由中弧线控制点p1，p2，p3及中弧线曲线控制点权重确定中弧线；
s1214、等分中弧线，并确定等分点的曲线坐标，等分点的曲线坐标即为叶型点；
s1215、根据叶型点和叶片的型线厚度分布确定所述叶片型线控制节点。
进一步地，在本实施方式中，步骤s121的具体过程如下：
以叶片轴向弦长lw、安装角γ、进口气流角β1、出口气流角β2以及中弧线曲线控制点权重作为设计参数，可采用非均匀有理b样条(nurbs)曲线通过构造中弧线和厚度分布进行叶片型线控制节点，即气动外形控制点的设计。
可根据几何关系通过叶片轴向弦长lw、安装角γ、进口气流角β1、出口气流角β2确定中弧线控制点p1，p2，p3。其中，控制点p1坐标(x1，y1)根据涡轮叶片位置给出，控制点p2坐标(x2，y2)计算公式如下：
控制点p3坐标(x3，y3)计算公式如下：
由中弧线控制点p1，p2，p3及中弧线曲线控制点权重，使用准均匀法节点矢量构造方法，结合nurbs理论即可确定中弧线。其中，中弧线由图中p1，p2，p3三个控制点确定，具体如图3所示。
确定中弧线后根据曲线坐标获得叶型点。可使用曲线坐标将中弧线等分为八段，共九个叶型点，曲线坐标分别为d＝i/8(i＝0,1,…,8),具体如图4所示。可根据叶片型线厚度分布即叶型点处法向距离确定叶片型线控制节点，包括中弧线控制点p1，p3点，共20个控制点，具体如图5所示。由这20个控制点及控制点权重，使用准均匀法节点矢量构造方法，结合nurbs曲线造型理论构建叶型曲线，具体如图6所示。
在步骤s122中，根据二维截面气动分析网格控制体的流道轮廓，结合所述叶片型线控制节点的位置，建立所述流道控制节点。
本实施方式中，二维截面气动分析网格的控制体主要由叶片各型线中弧线叶型点、叶片型线控制节点以及包围流体网格的流道控制节点组成。流道控制节点可根据二维截面气动分析网格控制体的流道轮廓，结合叶片型线控制节点的位置确定。
在步骤s123中，建立流道控制节点与叶片型线控制节点的关联移动。具体步骤如下：
如图7所示，在本实施方式中，二维截面气动分析网格控制体可由5行13列共65个控制点组成。按照行序号对这65个控制点进行编号，具体见下表。其中i-j(i＝2,3,4；j＝3,4,5,…，11)控制点即为中弧线叶型点和叶片型线控制节点。
当叶片设计参数发生改变时可根据叶型造型方法计算叶型点和叶片型线控制节点，即控制点i-j(i＝2,3,4；j＝3,4,5,…，11)坐标，并对控制点进行移动。可将这65个控制点分为5类，每类分为若干组分别移动。例如，第一类为前缘控制点，共一组，包括第一列及第二列10个控制点，因该控制点与叶片形状无关所以不进行移动；第二类为轴流涡轮叶片型线吸力面控制点，共九组，每组包含一个控制点(2-j)，j＝3,4，…，11，该控制点由叶片设计参数计算叶片型线控制节点后随控制点2-j移动；第三类为轴流涡轮叶片型线中弧线控制点，共九组，每组包含三个控制点，三个控制点为(1-j，3-j，5-j)，j＝3,4，…，11，该点由叶片设计参数计算叶型点后随控制点3-j移动；第四类为轴流涡轮叶片型线吸力面控制点，共九组，每组包含一个控制点(4-j)，j＝3,4，…，11，该控制点由叶片设计参数计算叶片型线控制节点后随控制点4-j移动；第五类为尾缘控制点，共一组，包括第12列以及第13列10个控制点，因改变该控制点x坐标会影响动静叶配合，所以计算叶片型线控制节点后随控制点3-j移动y方向，如下表所示：
在步骤s13中，根据设计参数与控制体节点坐标位移之间的关系将二维截面气动分析网格参数化。
如图8所示，在本实施方式中，根据以上二维截面气动分析网格参数化方法对二维截面气动分析网格进行变形，当叶片安装角增大5°时，由图可知网格变形后叶片型线光滑，网格形状良好，实现了网格变形的目的。对变形前后的网格质量进行检查，结果表明变形前后网格质量基本相同，该变形方法可以保证变形后的网格质量。
如图9所示，根据叶型设计参数使用三维建模软件建立叶片二维截面实体，将叶片二维截面实体与变形后的网格比较。由图可知网格参数化方法拥有与几何参数化方法相同的变形能力，变形效果良好。
在步骤s14中，在二维截面气动分析网格参数化的基础上，建立不同叶展高度的控制体。
在步骤s15中，根据设计参数与不同叶展高度的控制体节点坐标位移之间的关系将三维气动分析网格参数化。
在本实施方式中，在二维截面气动分析网格参数化的基础上，可建立不同叶展高度的控制体进而实现涡轮叶片的三维气动分析网格参数化，如图1所示。三维气动分析网格参数化过程如二维截面气动分析网格参数化过程，在此不再赘述。
本实施方式的网格参数化方法，还可包括步骤s16：建立多排叶片控制体，根据设计参数与多排叶片控制体节点坐标位移之间的关系将多排叶片的气动分析网格参数化。
在本实施方式中，如果气动分析模型中包含多排叶片，可分别建立每个叶片的控制体，根据设计变量与每个叶片控制体节点坐标位移之间的关系实现多排叶片气动分析网格的参数化变形。多排叶片气动分析网格的参数化过程如二维截面气动分析网格参数化过程，在此不再赘述。
如图10所示，本公开还提出一种轴流涡轮气动优化设计方法，所述轴流涡轮叶片的气动分析网格参数化基于上述的网格参数化方法。轴流涡轮气动优化设计方法，主要包括如下步骤：
s21、确定气动优化的设计参数，根据所述网格参数化方法对网格进行参数化变形；
s22、根据设计参数的数量，确定轴流涡轮气动优化的设计变量；
s23、根据设计变量的数量，使用最优拉丁超立方方法设计样本点，通过样本点建立kriging代理模型；
s24、使用kriging代理模型代替气动分析过程，选用多岛遗传算法对轴流涡轮进行多目标优化分析。
如图11所示，为基于上述网格参数化的气动优化设计流程图。在本实施方式中，具体流程为：在网格参数化的基础上，利用最优拉丁超立方方法进行试验设计，确定影响气动性能的主要设计变量；使用最优拉丁超立方方法，在设计空间中进行试验设计，获取初始样本点，建立kriging代理模型；在kriging代理模型基础上，进行优化设计；优化过程中更新kriging代理模型，直至收敛，从而保证优化设计精度。
综上，本发明提供的网格参数化方法和基于该方法的轴流涡轮气动优化设计方法具有以下优点：
1、合理考虑了叶轮机械气动分析网格的结构特点，将三维气动分析网格的变形控制分解为不同叶展高度的二维气动分析网格的变形控制，基于网格变形方法分别进行气动外形、流道等的控制体设计，建立一套气动设计参数生成气动外形网格控制节点的方法，并实现了二维流道控制节点的关联控制。
2、不同截面二维气动分析网格的参数化变形，即可实现三维气动分析网格的参数化变形。通过上述步骤实现了气动设计参数与气动分析网格的关联变形，保证了网格变形与气动设计参数变化的一致性。
3、基于网格参数化方法建立的气动优化设计流程，综合运用试验设计进行主次因素分析、近似代理模型代替实际仿真分析等，通过缩减设计变量个数、减少仿真分析的时间提高了气动优化的设计效率。
应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。