【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数据处理，特别涉及一种基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法。
技术介绍
1、随着现代航空技术的飞速发展，对高性能发动机的需求也日益迫切，全世界航空发动机的研究设计正呈现出一种加速发展的态势。涡轮、压气机等叶轮机部件是航空发动机的核心部件之一，而叶片无疑是叶轮机部件中最关键也是最重要的组成部分，利用各种气动优化方法辅助设计叶轮机叶片已成为必然趋势。国内外专家学者对此开展了大量相关研究，lee给出优化的初始几何(yu-tai l,vineet a,ashvin h,et al.impeller designof a centrifugal fan with blade optimization[j].international journal ofrotating machinery,2011,2011:1-16.)，通过算法进行局部的形状优化来改变叶片的几何特征，使得蜗壳与叶片间相互影响的损失减小，提高了涡轮效率。casas对叶型性能估计上进行了简化(casas v d,pena f l,duro r j.automatic design and optimization ofwind turbine blades[c]//international conference on computationalintelligence for modelling,control&automation,&international conference onintelligent agents,web
2、可以看出，目前大部分的叶轮机流道中关于叶片的优化设计方法主要关注叶片几何尺寸、形状和倾角的变化，而叶轮机叶片数作为同样重要的结构参数，应该要同排列方式、叶片形状综合考虑，根据整个叶轮机的流量、压比等参数进行设计，一般情况下，随着叶片数量增多，叶轮机流量增大、压降减小，效率也会增加，但是重量和制造成本也会相应增加，而叶片数量到达一临界值后，效率会降低。因此，在叶轮机优化设计过程中同时考虑叶片数作为设计变量有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，同时考虑叶片数和叶型参数等多变量的多目标优化，能够直接改变叶轮机拓扑，叶片数作为叶轮机中一个重要的结构参数，将其引入优化过程中提高了设计变量的自由度，能够更灵活的实现面向叶轮机部件的多参数和多目标的优化。
2、本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，包括：
4、s1，导入已知叶轮机轮毂、机匣外型线以及叶轮机叶片的拟合数据点文件，将拟合数据点文件中的拟合数据点转换为轮毂、机匣外型线和叶轮机叶片的几何曲面；
5、s2，确定叶轮机旋转轴，将叶轮机轮毂和机匣外型线绕旋转轴旋转，生成叶轮机三维流道几何；
6、s3，用一个与叶片展向垂直的坐标平面将三维流道几何截开，并生成叶轮机二维子午流面；
7、s4，在生成的二维子午流面的几何边界上，定义叶轮机进口边界和出口边界；
8、s5，根据几何曲面、进口边界和出口边界生成叶轮机叶片的参数化脚本文件；
9、s6，导入生成的参数化脚本文件进行几何重构，确定cfd求解模型中的叶轮机流道设计域及进出口计算边界；
10、s7，选取叶轮机叶片数和叶型参数作为待优化设计变量；待优化设计变量的初始值取叶轮机初始几何构型的参数值；
11、s8，生成叶轮机流道网格，利用流场求解工具进行cfd求解，得到初始流场计算结果；
12、s9，取初始流场计算结果中的等熵效率、压比和出口质量流量作为响应，定义优化目标函数和约束条件；
13、s10，通过doe方法进行正交采样，生成n个离散的参数组合，每一个组合的叶片数和相应的叶型参数构成设计空间的一个设计点，所有设计点构成样本空间；
14、s11，定义叶片数、压比、出口质量流量和优化目标变化范围，并定义叶片数和叶型参数在优化目标中的权重系数，对每一个设计点进行cfd求解评估，根据设计点参数和相应的求解结果生成响应面函数，根据响应面函数进行参数灵敏度分析；
15、s12，更新设计变量为不同权重系数下的叶轮机叶片数和叶型参数组合，将目标函数及参数灵敏度代入智能优化算法，获取到最优设计点，输出此时的叶片数和叶型参数，如果满足约束条件且目标值达到设计要求，则得到优化后的叶轮机流道新构型；否则返回s10，直至获得满足约束条件且目标值达到设计要求的叶轮机流道新构型。
16、优选的，所述叶型参数包括不同叶高截面叶型前后缘半径、不同叶高截面叶型中弧线曲率和不同叶高截面叶型厚度。
17、优选的，所述s9中，以等熵效率η作为目标函数，表示如下：
18、
19、其中，tz表示扭矩；n表示叶片数；cp表示定压比热容；t1,r表示转子入口总温；m1,r表示转子入口流量；π表示压比；k表示比热比；
20、约束条件包括压比和出口质量流量，压比表示如下：
21、
22、其中，p1*表示叶轮机进口总压，p2*表示叶轮机出口总压；
23、出口质量流量表示如下：
24、
25、其中，p*表示当地气流总压；t*表示气流总温；r表示气体常数；v表示当地气流速度；a表示叶轮机出口截面面积；α表示叶片尾缘切向速度与叶轮机圆周方向的夹角。
26、优选的，所述s11中，叶片数n的变化范围表示如下：
27、n∈[n1,n2] (4)
28、压比β的变化范围，表示如下：
29、β0-δβ≤β≤β0+δβ (5)
30、出口质量流量的变化范围，表示如下：
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【技术保护点】
1.一种基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，其特征在于，所述叶型参数包括不同叶高截面叶型前后缘半径、不同叶高截面叶型中弧线曲率和不同叶高截面叶型厚度。
3.根据权利要求1所述的基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，其特征在于，所述S9中，以等熵效率η作为目标函数，表示如下：
4.根据权利要求1所述的基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，其特征在于，所述S11中，叶片数n的变化范围表示如下：
5.根据权利要求1所述的基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，其特征在于，所述S11中，灵敏度分析方法如下：将响应面函数中参数的梯度信息与其分散程度结合，得到各设计变量的灵敏度系数；其中，参数的梯度信息为目标函数对设计变量的导数。
【技术特征摘要】
1.一种基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，其特征在于，所述叶型参数包括不同叶高截面叶型前后缘半径、不同叶高截面叶型中弧线曲率和不同叶高截面叶型厚度。
3.根据权利要求1所述的基于叶片数与叶型几何的叶轮机气动拓扑优化方法，其特征在于，所述s9中，以等熵效率η作为目标函数，表...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱若凡，杨心源，林凯，尤延铖，米栋，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：
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