专利名称：压气机壁面涡优化设计方法
技术领域：
本发明涉及一种航空发动机压气机优化设计方法，尤其涉及一种优化叶片壁面涡量 流分布的压气机设计方法。
背景技术：
压气机是航空发动机的三大部件之一，起到对气流压缩作功的作用。压气机的总性 能指标包括流量、压比、效率等。计箅流体力学(CFD)和各种优化算法的发展促进 了压气机气动数值优化的发展。压气机气动优化， 一般设定总性能指标如压比或效率作 为目标函数，也可能选用两个以上指标组合形成多目标函数，在一定的约束条件下，以 CFD为分析工具，针对叶型或弯掠形式进行优化。
压气机气动数值优化可以减弱对设计者经验的依赖，让计算机代替人自动寻找到较 优的设计方案，可以大大减少人为修改的工作量。但数值优化目前也存在一些问题，如 优化时间较长，成本高，特别是对于需利用CFD求解压气机内部三维流动的情况，优 化过程中需多次求解流场，耗时更长；另外，由于设定的是总性能参数作为目标函数， 优化过程中缺少对流动物理机理的把握,优化的参数缺少针对性，也会使优化代价很高， 有时收益也较小。
压气机内部是个高强度的复杂涡量场，壁面是涡量产生的主要根源。壁面涡量流反映了涡量在壁面的生成率，其是流场内部产生分离和旋涡的壁面根源，可以揭示出涡量 生成率大的关键区域。壁面涡量流定义为动力粘性系数与壁面涡量法向梯度的乘积，
o=/"t (1) 其中CT为壁面涡量流，//为动力粘性系数，CO为壁面涡量，Il为壁面法向量。
若能在优化过程中控制壁面涡量流分布，针对壁面涡量流揭示出的关键区域进行优
化，有望在优化过程中把握流动机理，有针对性地进行优化，从而缩短优化时间，提高
优化效率。
传统的优化方法至少存在以下方面可以补充
(1) 将壁面涡量流作为诊断参数放入优化过程中，控制叶片壁面涡量流分布；
(2) 针对壁面涡量流揭示出的关键区域进行优化，提高优化效率。
发明内 容
作为压气机传统优化设计方法的补充，本发明提供一种壁面涡优化设计方法。 图1为本发明的压气机壁面涡优化设计方法的流程图。与一般优化方法所不同的 是，本发明的方法在优化过程中以壁面涡量流峰{直积分为目标函数或约束条件，针对壁 面涡量流诊断揭示的关键区域进行优化，达到控制壁面涡量流并提高压气机性能的目 的。
壁面涡量流是流场内部产生分离和旋涡的壁面根源，壁面涡量流诊断能揭示出叶片 壁面涡量生成率大的关键区域，如图2所示为一跨声转子吸力面壁面涡量流分布，可以 清晰地发现一条由激波/附面层干扰引起的正峰值带，其将引起流动分离，对压气机加 功增压不利，对于转子应减弱正峰值并尽量将其推向下游。改进壁面涡量流分布的方向为降低引起分离的峰值，使其位置推向下游，尽量使其分布平滑。将壁面涡量流作为 叶片表面诊断参数放入压气机优化设计过程中，以壁面涡量流峰值积分为目标函数，或 仍以总性能参数压比、效率作为目标函数而将壁面涡量流峰值积分作为约束条件，针对 叶片叶型或弯掠形式进行优化，尤其可以针对壁面涡量流揭示出的关键区域如图1的跨 声转子叶中区域截面进行优化，形成一种壁面涡量流指导的优化设计方法。
本发明的内容是一种压气机壁面涡优化设计方法，包括具有叶片壁面涡量流诊断功 能，以及将壁面涡量流峰值积分作为目标函数或约束条件针对关键区域进行优化设计的 功能。
图1为本发明的压气机壁面涡优化设计方法流程图2为跨声转子吸力面静压和壁面涡量流分布对比((a)为静压分布，(b)为壁面涡 量流分布)；
图3为跨声转子优化前后特性曲线对比；
图4为跨声转子优化前后吸力面壁面涡量流分布对比((a)为优化前，(b)为优化后)； 图5为跨声转子优化前后叶根、中、尖叶型对比((a)为叶根，(b)为叶中，(c)为 叶尖)。
具体实施例方式
本发明的压气机壁面涡优化设计方法其具体实施方式
如图1所示，包括 步骤1、对原型进行三维粘性CFD分析，根据壁面涡量流定义得到叶片壁面涡量流分 布；步骤2、判断壁面涡量流分布是否合理，具体观察是否有明显的壁面涡量流峰值区域，
结合流场分析该峰值是否造成了流动分离，若是，则需进行壁面涡量流优化；
步骤3、根据壁面涡量流诊断结果改变关键区域几何参数包括叶型和弯掠形式等，其
中需分析改变何种几何形式对控制该区域流动最有效果；
步骤4、重新生成三维叶片几何，进行流场CFD分析，得到叶片壁面涡量流分布，求 得以壁面涡量流形式表达的目标函数值，与原型进行比较；
步骤5、运用一定的优化算法，确定设计参数下一步迭代的方向，经过反复计箅寻优， 最终得到最优的结果，使叶片壁面涡量流分布合理，压气机性能提高。
运用该设计方法^f一跨声转子叶型进行了优化。以壁面涡量流形式表达的转子加功 量作为目标函数(如(2)式)，针对三次曲线参数化(如(3)式)的截面叶型中弧线 进行优化。
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(2)
jF = q + "2x + "3x + "3x (3) 如图3为优化后转子与原型的特性曲线对比，左为流量一压比特性曲线，右为流量 一效率特性曲线，黑色空心点为优化前特性，红色实心点为优化后特性。可以发现优化 后转子压比、效率都大大提高。峰值效率点压比提高了 5.73%，效率提高了1.12%。 图4为优化前后的吸力面壁面涡量流分布对比(左为优化前，右为优化后)，优化后吸 力面壁面涡量流正峰值减弱，范围缩小，位置后移，减弱了激波强度推迟了分离，从而 提高了叶片加功量和效率。图5为优化前后叶根、中、尖的叶型对比。以上结果证明了 该发明的壁面涡优化设计方法能高效地进行压气机优化设计。
本发明优点在于借助于叶片壁面涡量流诊断揭示出关键流动区域，将其放入优化过 程中，以壁面涡量流峰值积分作为目标函数或约束条件，针对揭示的关键区域进行优化设计，从而在优化过程中把握流动机理，有针对性地进行优化，减少了对设计者经验性 的依赖，提高了优化效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种压气机壁面涡优化设计方法，其特征在于，包括步骤(1)对原型进行三维粘性CFD分析，根据壁面涡量流的定义得到叶片壁面涡量流分布；(2)判断壁面涡量流分布是否合理，具体观察是否有明显的壁面涡量流峰值区域，结合流场分析该峰值是否造成了流动分离，若是，则需进行壁面涡量流优化；(3)根据壁面涡量流诊断结果改变关键区域几何参数包括叶型和弯掠形式等；(4)重新生成三维叶片几何，进行流场CFD分析，得到叶片壁面涡量流分布，求得以壁面涡量流形式表达的目标函数值；(5)运用一定的优化算法如模拟退火算法，确定设计参数下一步迭代的方向，经过反复计算寻优，最终得到最优的结果。
2、 如权利要求l所述的压气机壁面涡优化设计方法，其特征在于，借助于叶片壁面 涡量流诊断揭示出关键流动区域，将壁面涡量流放入优化过程中，以壁面涡量流 峰值积分作为目标函数或约束条件，针对壁面涡量流揭示的关键区域进行优化设 计。
3、 如权利要求1所述的压气机壁面涡优化设计方法，其特征在于，将壁面涡量流作 为叶片表面诊断参数。
4、 如权利要求1所述的压气机壁面涡优化设计方法，其特征在于，较优的壁面涡量 流分布形式为降低引起分离的峰值，将其位置推向下游，尽量使其分布平滑。
5、 如权利要求1所述的压气机壁面涡优化设计方法，其特征在于，将壁面涡量流形 式表达的函数作为目标函数或约束条件进行优化。
6、 如权利要求1所述的压气机壁面涡优化设计方法，其特征在于，针对壁面涡量流 诊断揭示的关键区域进行优化设计。
全文摘要
本发明涉及一种压气机壁面涡优化设计方法。壁面涡量流是流场旋涡和分离产生的壁面根源，壁面涡量流诊断能揭示出叶片壁面涡量生成率高的关键区域，将壁面涡量流放入优化过程中，以壁面涡量流峰值积分作为目标函数或约束条件，针对壁面涡量流揭示的关键区域进行优化设计，控制叶片壁面涡量流分布并提高压气机性能，该设计方法在优化过程中把握了流动机理，有针对性地进行优化，减少了对设计者经验性的依赖，提高了优化效率。
文档编号F04D29/30GK101418813SQ20081023944
公开日2009年4月29日 申请日期2008年12月10日 优先权日2008年12月10日
发明者侯安平, 宏 吴, 盛 周, 李秋实, 陆亚钧 申请人:北京航空航天大学