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压气机叶片三维反问题设计技术研究

刘文亮  
【摘要】:压气机叶片的气动设计方法可分为正问题(主要指分析设计方法)和反问题设计方法两种。正问题设计方法(主要指分析设计方法)往往要花费大量的设计时间和成本,并且设计结果的优劣和成本强烈依赖于设计人员的经验和理论知识,获得创新性方案的可能性较小;反问题设计方法中设计人员根据设计要求给出流场中某些气动参数,通过气动参数与几何造型间的物理关系得到实现该流动特征的叶型。优势在于设计效率较高、较少依赖设计人员经验,可以缩短设计周期,特别在三维叶片设计中尤为显著。 本文根据冯卡门研究所A. Demeulenaere和Van den Braembussche.等人发展出的一种有效的压气机叶片三维无粘反问题设计方法,并结合课题组对二维反问题设计方法方面的研究,开展了包括离心压气机叶片在内的压气机叶片三维反问题设计技术的相关研究。全文研究内容和成果主要包括以下几个方面: 1、构建起了三维无粘反问题设计流程,对“可渗透边界”的原理以及三维壁面修正方法进行理论分析,为本文三维无粘反问题设计方法的实现提供理论依据; 2、在自主开发的全三维粘性流场计算程序NAPA的基础上,基于其Euler求解器,实现绝对坐标系下三维无粘反问题设计方法。并在亚声速轴流静子等算例中对本文建立的三维无粘反问题设计方法的有效性(反问题流场计算,三维壁面修正的准确性等)进行验证。 3、针对旋转坐标系下反问题流场的计算对渗透边界进行理论分析及算法修改。在亚声速轴流转子叶片的反问题设计算例中初步验证本文所建立的三维无粘反问题设计技术能对旋转坐标系下反问题流场进行准确快速的计算、三维壁面修正时能准确的修正得到符合目标压力分布的造型的能力。 4、针对目标压力和初始压力存在大偏差情况下的渗透边界进行改进,并构造了消除轴流压气机转子叶片槽道激波的算例。算例验证表明,本文对渗透边界的改进叫本质的改善了目标压力和初始压力存在大偏差情况下的反问题流场计算能力。 5、在Krain离心叶轮反问题设计算例中验证了本文所建立的三维反问题设计方法在有强三维效应流场中应用的通用性。对算例结果中叶尖附近修正后造型和原造型存在较大偏差的现象进行了较为详细理论分析,给出了较大偏差的原因,并构造了两组算例论证了分析出的产生大偏差原因的正确性,为今后对该三维壁面修正方法的完善指明了修改方向,提供了必要的基础。


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