一种基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，包括，利用计算流体力学代码获得未进行端壁造型的叶栅流场数值解；计算叶栅端壁上无量纲、归一化的静压系数分布；修改叶栅端壁静压系数分布并反算出目标的端壁静压分布；建立壁面静压的当前值和目标值之差与壁面法向位移速度之间的关系；计算端壁面各网格点的法向位移；对变形后的端壁进行光顺并更新网格；在时间推进全三维RANS方程求解的循环外再设置一层虚拟时间循环，在外层时间循环中实现端壁面的变形和光顺以及网格更新，以使端壁静压分布自动地不断逼近目标静压分布。本发明专利技术能够通过一次设计就准确得到满足设计目标的端壁形状。满足设计目标的端壁形状。满足设计目标的端壁形状。

【技术实现步骤摘要】
一种基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法


[0001]本专利技术涉及航空燃气涡轮发动机叶轮机械部件气动设计
，具体涉及一种基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法。

技术介绍

[0002]叶轮机械的气动性能在航空燃气涡轮发动机的整体性能上起着举足轻重的作用。现代先进航空燃气涡轮发动机的叶轮机级负荷能力已经达到非常高的水平。另外，叶轮机设计人员往往希望在高负荷条件下还保持较高的效率，同时留出足够的稳定工作范围。然而，高负荷与高效率、宽裕度之间往往存在矛盾。现代航空叶轮机气动设计不再单一地追求提高能量转换的级负荷能力，而是需要协调全工况范围内高负荷、高通流、高效率和喘振裕度之间的矛盾。
[0003]端壁二次流和角区分离是叶轮机负荷、效率与裕度间矛盾的一个重要焦点，二次流造成的损失可以占到叶片排总气动损失的30％
‑
50％。二次流现象在压气机和涡轮中都普遍存在，但是压气机叶片排中的端壁二次流在引起流动损失的同时还很容易导致角区分离从而产生更严重的危害。角区分离的发生会显著增加端区的流动损失甚至造成堵塞，甚至有研究发现角区分离还有可能引发旋转失速。
[0004]二次流和角区分离已经成为限制现代航空叶轮机性能提高的关键因素之一，而传统的设计体系往往难以在控制二次流方面取得突破，因此设计人员开始通过引入新的设计元素(新结构)来改善二次流，从而进一步提高叶轮机的性能。端壁造型技术经过近30年的发展，已经被充分证明能够有效控制端区二次流。该技术通过端壁上的曲率变化改变叶栅端区静压场从而实现流动控制。由于不对叶片做修改，也不添加额外的结构，回避了气动性能与结构强度之间的矛盾，并且对远离端区的流动影响很小，因此许多研究机构都相信端壁造型技术有巨大的发展潜力。
[0005]在近30年的发展中，研究人员逐步发展出了一套基于样本库寻优的端壁造型优化设计方法。在早期研究中，这类方法首先按照一定方式对端壁面进行参数化，比如采用控制函数法或点位移法；接下来对端壁的各设计参数取值从而得到不同形状的端壁并利用计算流体力学代码获得每个端壁对应的叶栅流场数值解；最后通过人工试错或者数学统计的方法预测出符合设计目标的设计参数取值。近年来，人工智能和机器学习的快速发展使得设计人员可以在缺乏设计经验和流动机理认识的情况下利用自动化优化算法从庞大的设计空间中得到符合设计目标的最优端壁形状。图1给出了端壁造型优化设计方法的一般流程。
[0006]尽管人工智能和机器学习给端壁造型的优化设计带来了便利，设计人员对流动机理的认识和设计经验仍然对设计结果的优劣起决定作用。近年来，越来越多的研究开始注重端壁造型流动控制机理的研究。随着对端壁造型流动控制机理认识的深入，出现了直接从流动机理和设计经验出发进行端壁造型设计的反问题设计方法。这类方法将端壁上的某个流场变量作为设计目标和边界条件，然后用某种方式求解出对应的端壁形状。有研究人员提出了一种将端壁上的压力分布作为设计目标的非轴对称端壁反向设计方法。该方法
中，通过曲线拟合建立端壁高度分布与压力分布的对应关系。在初始设计后，利用数值计算或实验校核设计结果并修正拟合系数直到设计结果满足设计目标为止。还有研究人员通过建立端壁二次流与端壁几何的关系，发展了一种以端壁速度分布为设计目标从而直接求解相应端壁几何的反问题设计方法。该方法将端壁边界层分为底层和外层；在底层通过垂直于壁面法向的两个方向动量方程建立速度与压力间的关系；在外层忽略物理量沿壁面法向的变化，通过连续方程和机械能方程构建端壁形状与压力间的关系。这类反问题设计方法将设计人员对流动机理的认识和设计经验直接介入设计过程，不需要构建庞大的数据库，还能在设计任务的迭代中不断加深对流动机理的认识从而为新的设计任务提供经验。
[0007]基于样本库寻优的端壁造型优化设计方法采用隐式的“黑箱模型”建立端壁的设计变量与目标函数间的关系。因此，优化设计方法擅长在缺乏设计经验和对流动机理认识的情况下从一定设计空间中找出符合设计目标的端壁形状而对于端壁造型流动控制机理的解释性较差。这导致优化设计方法很难将设计人员对端壁造型流动控制机理的认识应用到新的设计任务中，在每个设计任务中都需要先构建出庞大的样本库以供优化算法寻优。
[0008]目前的端壁造型反问题设计方法在建立端壁几何与端壁上流动信息间关系时往往采用降维的假设，甚至没有流动控制方程的参与。采用降维假设或不通过流动控制方程建立端壁几何与流动信息间关系的反问题设计方法单次设计所需的计算量和时间较少，但是难以通过一次设计就获得满足设计目标的端壁形状。因此，初步设计后需要利用数值模拟或实验手段不断校核修正直到设计结果满足设计目标为止。
[0009]综上所述，如何通过一次设计就准确得到满足设计目标的端壁形状，是本领域亟待解决的重要问题之一。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，以解决现有技术中的不足，它能够通过一次设计就准确得到满足设计目标的端壁形状。
[0011]本专利技术提供了一种基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，其中，该方法的步骤为：
[0012]步骤一：利用计算流体力学代码获得未进行端壁造型的叶栅流场数值解；
[0013]步骤二：计算叶栅端壁上无量纲、归一化的静压系数分布；
[0014]步骤三：修改叶栅端壁静压系数分布并反算出目标的端壁静压分布；
[0015]步骤四：建立壁面静压的当前值和目标值之差与壁面法向位移速度之间的关系；
[0016]步骤五：计算端壁面各网格点的法向位移；
[0017]步骤六：对变形后的端壁进行光顺并更新网格；
[0018]步骤七：在时间推进全三维RANS(Reynolds Averaged Navier
‑
Stokes)方程求解的循环外再设置一层虚拟时间循环，在外层时间循环中实现端壁面的变形和光顺以及网格更新，最终使端壁静压分布自动地不断逼近目标静压分布。
[0019]如上所述的基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，其中，可选的是，步骤一所述的“未进行端壁造型的叶栅流场数值解”通过定常三维粘性RANS求解获得，RANS方程是雷诺对流体力学中的N
‑
S(Navier
‑
Stokes)方程进行统计学平均的结果；为获得满足精度要求的叶栅流场数值解，利用实验结果对RANS求解的网格密度、边界条件以及湍
流模型的设置进行校核。
[0020]如上所述的基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，其中，可选的是，步骤二所述的“叶栅端壁上无量纲、归一化的静压系数分布”按照以下方法计算：
[0021]在叶栅通道内的端壁上确定出轴向的造型区域，在造型区域内分别沿轴向和切向均匀地设置若干采样点并提取端壁静压的分布，利用叶栅进口动压对端壁静压进行无量纲化从而得到端壁静压系数的分布，利用每个轴向位置上静压系数的最值对静压系数进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，其特征在于，该方法的步骤为，步骤一：获得未进行端壁造型的叶栅流场数值解；步骤二：计算叶栅端壁上无量纲、归一化的静压系数分布；步骤三：修改叶栅端壁静压系数分布并反算出目标的端壁静压分布；步骤四：建立壁面静压的当前值和目标值之差与壁面法向位移速度之间的关系；步骤五：计算端壁面各网格点的法向位移；步骤六：对变形后的端壁进行光顺并更新网格；步骤七：在时间推进全三维RANS方程求解的循环外再设置一层虚拟时间循环，在该时间循环中实现端壁面的变形和光顺以及网格更新，以使端壁静压分布自动地不断逼近目标静压分布。2.根据权利要求1所述的基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，其特征在于，步骤一所述的未进行端壁造型的叶栅流场数值解，通过定常三维粘性RANS求解获得，RANS方程是雷诺对流体力学中的N
‑
S方程进行统计学平均的结果；利用实验结果对RANS求解的网格密度、边界条件以及湍流模型的设置进行校核，以获得满足精度要求的叶栅流场数值解。3.根据权利要求1所述的基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，其特征在于，步骤二所述的叶栅端壁上无量纲、归一化的静压系数分布，按照以下方法计算：在叶栅通道内的端壁上确定出轴向的造型区域，在造型区域内分别沿轴向和切向均匀地设置若干采样点并提取端壁静压的分布，利用叶栅进口动压对端壁静压进行无量纲化从而得到端壁静压系数的分布，利用每个轴向位置上静压系数的最值对静压系数进行归一化；其中，切向指相邻叶型前缘点连线方向，轴向指叶型平面内垂直于切向的方向；静压系数的表达式如下：式中，Cp是静压系数，p是静压，是进口平均总压，是进口平均静压，下标i和j分别是端壁面上沿轴向和切向采样点的标号；静压系数的归一化按照下式计算：式中，是归一化的静压系数，Cp
i,min
和Cp
i,max
分别是端壁面第i个轴向位置上的静压系数最小值和最大值。4.根据权利要求1所述的基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，其特征在于，步骤三所述的目标的端壁静压分布，按照下式计算：
式中，是端壁面上轴向位置i、切向位置j处的目标静压系数，是端壁面上轴向位置i、切向位置j处的目标静压；是轴向位置i、切向位置j处根据设计经验或流动机理分析修改后的归一化静压系数；计算出所有采样点上的目标静压后，通过二维插值计算出端壁网格点上的目标静压。5.根据权利要求1所述的基于特征相容关系的端壁造型全三维反问题设计方法，其特征在于，步骤四所述的壁面静压的当前值和目标值之差与壁面法向位移速度之间的关系，按照以下方式得出：在获得三维流场的数值解时，计算域的每个边界上都根据负特征值个数给定边界条件，代表扰动信息从边界向计算域内部传播；对于三维问题，五个方程分别对应五个特征值：V
n
，V
n
，V
n
，V
n
+a，V
n
‑
a；其中，V
n
和a分别是边界处速度的法向分量和音速；通过将每个方程与其对应的特征向量相乘可获得对应的特征相容关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：金东海，郭汉文，桂幸民，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：