一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法技术

一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，属于涡轮气动设计领域。建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型，确定设计域和出入口位置；构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数等三个目标函数；调整目标函数之间数量级确保量级相近，以此构建修正的多目标函数；定义相应边界条件并求解流场，利用伴随法求解伴随流场，输出伴随乘子，进行灵敏度分析计算；将目标函数值及其灵敏度代入MMA优化算法进行优化，更新设计变量；判断目标函数是否收敛，若否，则将更新的设计变量代入MMA优化算法继续迭代，若满足，则输出最终拓扑结果。无需给定几何信息及初始叶型，为发动机涡轮叶栅构型设计提供一种新思路。新思路。新思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法


[0001]本专利技术属于涡轮气动设计领域，具体是涉及一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法。

技术介绍

[0002]涡轮叶片作为燃气涡轮发动机中涡轮段的核心部件，其作用是通过旋转，将高温高压的气流吸入燃烧室，进而转换成机械能以维持发动机引擎工作。而作为直接影响流道空气流动情况的关键结构，叶栅的构型、尺寸和布置等气动设计对进气阻力、进气均匀性影响非常大，进而直接决定燃气涡轮发动机的气动性能。
[0003]近些年来，关于涡轮叶栅气动优化设计的研究备受国内外研究者的青睐。叶涛等(叶涛,陈飞.涡轮增压压气机叶轮的气动优化设计[J].流体机械,2017,45(08):24
‑
28+58)利用神经网络和遗传算法对叶轮进行气动优化设计；Walther等(NadarajahS,Walther B.An Adjoint
‑
Based Optimization Method for Multistage Turbomachines.2013)提出一种基于梯度约束的多级涡轮气动外形优化框架；Lu等(Luo J,Mcbean I,Feng L.Optimization of Endwall Contours of a Turbine Blade Row Using an Adjoint Method[C]//Asme Turbo Expo:Turbine Technical Conference&Exposition.2011)应用连续伴随法对低叶栅比涡轮叶栅进行优化。而由于涡轮叶栅气动构型设计的自由度非常大，即使通过几何型面的参数化方法也较难覆盖叶型的几何优化所有可能性。
[0004]流体拓扑优化是一种无需给定初始几何的“从无到有”设计方法，可以改变传统设计方案的拓扑构型。基于该方法对涡轮发动机叶栅流道进行优化，有可能获得不同于传统拓扑构型的涡轮叶栅流道方案，进而给涡轮叶栅气动构型提供全新的设计思路。
[0005]自Borrvall和Petersson等(BorrvallT,Petersson J.Topology optimization of fluids in Stokes flow[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids,2003,41(1):77
‑
107)首次提出流体拓扑优化方法时，便将其应用于管路流道的优化问题；Olesen等(Olesen L H,Okkels F,Bruus H.A high level programming language implementation of topology optimization applied to steady
‑
state Navier
–
Stokes flow[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,2006,65(7):975
‑
1001)提出一种实现流体拓扑优化的程序构架，并将其应用于Navier
‑
Stokes流的拓扑优化，分析优化算法不同参数对微通道优化的影响；S
á
和Novotny(L.E.N.S
á
,Novotny A A,Romero J S,et al.Design optimization of laminar flow machine rotors based on the topological derivative concept[J].Structural and Multidisciplinary Optimization,2017,56(4):1013
‑
1026)将拓扑导数法应用于径向流动旋转机械的流体拓扑优化设计；张敏(张敏,杨金广,刘艳.流体拓扑优化方法及其在叶轮机械中的应用[J/OL].推进技术:1
‑
16[2021
‑
07
‑
05])利用流体拓扑优化方法对涡轮叶片叶顶几何进行型面优化。
[0006]尽管如此，目前已有的相关研究都是针对相对简单的流道设计，且大多选择能量
耗散作为单一目标函数进行优化，而利用流体拓扑优化方法对发动机涡轮叶栅流道进行优化，进而对叶栅构型进行设计的方案目前尚未见公开报道。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法。涡轮叶栅属于关键的转动类构件，设计时需要着重考虑能量耗散，叶栅转动机械能预计叶栅所占体积等对涡轮效率的影响，本专利技术无需给出几何型面信息，有望改变发动机涡轮叶栅传统拓扑构型的流体拓扑优化设计。
[0008]本专利技术包含以下步骤：
[0009]1)根据流体拓扑优化的目标和要求，建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型，确定设计域和出入口位置；
[0010]2)根据实际设计需求定义加权函数，构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数的目标函数表达式；
[0011]3)利用数学方法调整目标函数之间数量级确保量级相近，以此构建修正的多目标函数；
[0012]4)定义相应边界条件并求解流场，利用伴随法求解伴随流场，输出伴随乘子，进行灵敏度分析计算；
[0013]5)将目标函数值及其灵敏度代入MMA优化算法中，迭代更新设计变量；
[0014]6)判断目标函数是否收敛，若否，则将更新的设计变量代入MMA优化算法继续迭代，若满足，则输出最终拓扑结果，完成涡轮叶栅流道拓扑设计。
[0015]在步骤1)中，所述建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型是利用变密度法对发动机涡轮叶栅进行设计，确定叶栅流道拓扑优化的设计区域Ω和流道的出入口位置。
[0016]在步骤2)中，所述构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数等三个目标的多目标函数，是根据实际设计需求定义加权函数，具体目标函数的表达式如下：
[0017]引入材料密度γ作为设计变量，将设计区域Ω离散化，定义流体的能量耗散Φ
E
(u,p,γ)：
[0018][0019]涡轮转动方向动量J
M
：
[0020]J
M
＝∫
Ω
mu
n
dΩ
[0021]流体所占体积分数β
V
：
[0022][0023]式中，μ为动力粘度，μ
T
为湍流模型求解得到的湍流粘度，u为流体速度场，u
n
为流体的法向速度，即为涡轮转动方向，V0为控制域中初始设计变量的总体积。由于叶栅转动机械能无法表征叶栅转动方向，致使优化结果将无法判别涡轮转动方向，故采用叶栅转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，其特征在于包含以下步骤：1)根据流体拓扑优化的目标和要求，建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型，确定设计域和出入口位置；2)根据实际设计需求定义加权函数，构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数的目标函数表达式；3)利用数学方法调整目标函数之间数量级确保量级相近，以此构建修正的多目标函数；4)定义相应边界条件并求解流场，利用伴随法求解伴随流场，输出伴随乘子，进行灵敏度分析计算；5)将目标函数值及其灵敏度代入MMA优化算法中，迭代更新设计变量；6)判断目标函数是否收敛，若否，则将更新的设计变量代入MMA优化算法继续迭代，若满足，则输出最终拓扑结果，完成涡轮叶栅流道拓扑设计。2.如权利要求1所述一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，其特征在于在步骤1)中，所述建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型是利用变密度法对发动机涡轮叶栅进行设计，确定叶栅流道拓扑优化的设计区域Ω和流道的出入口位置。3.如权利要求1所述一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，其特征在于在步骤2)中，所述构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数的目标函数表达式，是根据实际设计需求定义加权函数，具体目标函数的表达式如下：引入材料密度γ作为设计变量，将设计区域Ω离散化，定义流体的能量耗散Φ
E
(u,p,γ)：涡轮转动方向动量J
M
：J
M
＝∫
Ω
mu
n
dΩ流体所占体积分数β
V
：式中，μ为动力粘度，μ
T
为湍流模型求解得到的湍流粘度，u为流体速度场，u
n
为流体的法向速度，即为涡轮转动方向，V0为控制域中初始设计变量的总体积；由于叶栅转动机械能无法表征叶栅转动方向，致使优化结果将无法判别涡轮转动方向，故采用叶栅转动方向动量对此表征。4.如权利要求1所述一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，其特征在于在步骤3)中，所述构建修正的多目标函数的具体步骤为：(3.1)根据能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数三个目标函数，综合考虑三者之间的相互作用关系，选择合适的权重系数，计算基于流体拓扑优化的发动机涡轮叶栅流道的多目标函数J：
式中，ω
E
,ω
M
,ω
V
为各自对应目标函数的权重系数，三者...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱若凡，周康，周涛，尤延铖，闫成，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：