摘要：本文主要研究一种梯度响应面模型及其在气动优化设计中的应用.目前应用广泛的多项式响应面模型是连续可导的,采用梯度信息构造完全二阶多项式响应面模型,所需样本数与设计参数个数呈线性关系.首先通过改进实验设计方法,快速生成满足精度要求的样本并确定梯度响应面模型.随后通过函数实验验证梯度响应面模型的精度,及该模型在多极值函数最值搜索中的有效性.最后由伴随方法快速求解气动优化设计目标函数的梯度信息,并开展基于梯度响应面模型和复合形法的叶片压力反设计和效率优化设计.结果表明:基于梯度响应面模型的优化方法在全局最优及提高优化效率两方面均有出色表现,基于该优化方法的气动优化设计能够显著改善叶片的气动性能.

摘要：采用梯度方法对某型4.5级压气机最后级进行气动设计优化研究,梯度由连续伴随方法计算确定,多排伴随方程采用伴随掺混面模型进行数值求解。首先,采用基于经验修正的初步设计方法设计带进口导叶的4.5级低速、低压缩比压气机的原始气动外形。之后,在压气机近失速工况对最后级静子叶片进行伴随气动设计优化,通过优化叶型和安装角降低流动损失,目标函数定义为加权求和形式的熵增和流量偏差,优化中对流量进行约束。最后,开展基于伴随方法的多工况气动设计优化研究,改善两个不同转速条件下最后级的气动性能。优化结果表明,基于伴随方法的多排气动设计优化可以通过改变叶片气动外形提升多排全工况气动性能。

摘要：进、出口边界流动扰动是叶轮机械中一种典型的不确定性因素,对叶片气动性能产生重要影响。开展考虑边界流动扰动影响的叶片稳健性气动优化设计(RADO)研究,对提高叶片的平均气动性能及气动稳健性具有重要意义。首先介绍叶片RADO的基本原理、实现方法及关键问题。之后开展基于自适应非嵌入式多项式混沌模型的某型跨音速涡轮叶栅来流角不确定性研究,对叶栅总压损失进行量化。最后开展叶片气动外形的RADO研究,通过与确定性气动优化设计的对比揭示RADO在提高优化叶片气动稳健性方面的优越性。

摘要：气动外形的全局优化设计会产生大量的过程数据,其中隐含的设计知识具有较高的挖掘价值.数据挖掘有助于获取直观、可定性描述的设计知识.本文采用基于本征正交分解的数据挖掘方法从气动优化设计的过程数据中获取设计知识,数据挖掘对象为跨音速压气机转子叶片NASA Rotor 37的优化过程数据,该数据由基于粒子群方法的绝热效率最大化优化设计产生.结果表明:基于本文数据挖掘方法获取的设计知识能够直接反映气动外形的变化规律,为叶片的气动外形设计提供参考;数据挖掘的设计知识成功地验证了优化设计结果的有效性.

摘要：外形偏差是典型的叶片气动不确定性影响因素,考虑几何设计参数不确定性影响的叶片稳健性气动设计优化(RADO)有助于提高叶片平均气动性能及气动稳健性。首先,介绍RADO的基本原理及实现方法,采用基于灵敏度分析的叶片气动不确定性量化方法计算叶片目标气动函数的统计值,并实现目标函数对设计参数的梯度计算。然后,开展考虑设计参数不确定性影响的HS1A跨声速涡轮叶栅RADO研究,降低总压损失系数的统计均值及方差;通过与确定性气动设计优化(DADO)对比,揭示RADO在改善优化叶片气动稳健性方面的有效性和优越性。最后,对叶片进行流场统计分析,进一步揭示气动外形优化设计对降低总压损失系数敏感度的影响机理。

摘要：受加工精度限制,叶片加工外形与设计外形存在一定偏差,该类偏差具有较强的随机性,对叶片气动性能造成不确定性影响。加工叶片外形偏差的不确定性影响为几何尺度上的小扰动问题。本文首先基于伴随方法建立了适用于加工叶片外形偏差气动灵敏度分析及气动性能偏差预估模型。之后,计算某二维涡轮叶片的气动参数伴随灵敏度,由此确定厚度均匀变化的测试叶片的气动性能偏差,并与数值模拟结果进行对比,验证伴随方法在叶片气动不确定性灵敏度分析中的精确性和有效性。最后,采用基于灵敏度分析的Monte Carlo方法研究满足正态分布的批量加工叶片的气动性能偏差,确定了相应的气动偏差统计模型。

摘要：采用非线性模型替代线性回归模型响应本征正交分解(POD)基函数的系数,并采用自适应抽样方法确定快照集合,实现了基于自适应POD混合模型的跨音速叶片复杂流动分析及流场拟合.首先通过比较基于线性回归模型和非线性回归模型的基函数系数响应精度,验证非线性回归模型的收敛性和精确性;之后通过与静态抽样方法进行对比,研究分析自适应抽样技术的优越性;最后开展基于自适应POD混合模型的全三维跨音速流场分析及流动拟合.结果表明,采用自适应POD混合模型,不仅能够清晰地识别三维跨音速流场中的敏感流动特征,还能精确地拟合设计空间内任意状态的流场及出口气动参数.

摘要：采用离散型函数和B样条函数两种参数化方法生成叶片快照,研究比较基于单快照叶片和双快照叶片的Gappy POD拟合能力。引入流场求解,发展一种基于迭代偏差修正的Gappy POD反设计方法,并开展二维叶片表面压力分布的反设计研究。结果表明:双快照叶片方法能够有效提高Gappy POD的拟合空间和拟合精度,基于迭代偏差修正的反设计方法能够显著改善Gappy POD反设计方法的精度。

摘要：发展了一种简化的基于无反射边界理论的伴随方程进出口边界条件确定方法,研究了考虑不同约束的叶片气动外形优化设计。研究结果表明:采用流动强耦合的简化伴随方程进出口边界条件确定方法,能够确定精度较高的伴随灵敏度,在不同类型的伴随气动优化设计中均具有较好适用性。无约束的出口质量熵优化后,出口质量熵降低0.253%,流道面积和出口气流角变化较大。分别考虑出口气流角气动约束、流道面积几何约束和同时考虑上述两种约束的影响,优化后出口质量熵分别降低0.176%、0.227%和0.164%,优化后叶片气动性能显著提升,且满足约束条件。改变叶型曲率能有效减弱激波强度,吸力面前段曲率降低时,流动减速、出口气流角增大,吸力面前段曲率变化较小时,出口气流角约束较好。

摘要：量化边界流动扰动的不确定性影响是压气机鲁棒性气动设计的主要研究内容之一。基于计算流体力学的多级压气机气动不确定性量化(UQ)非常耗时,高效的气动预测方法有助于提高UQ的计算效率。本文采用时间推进欧拉通流方法(Euler-TFM)和直接蒙特卡洛模拟(MCS)研究了进出口边界压力扰动对某型4.5级轴流压气机的气动不确定性影响。首先,实现了基于Euler-TFM的压气机气动性能预测,并通过与三维数值计算结果的对比验证了Euler-TFM的精度。随后采用MCS量化了不同工况下进口总压、出口背压、两者耦合的不确定性变化对压气机绝热效率、流量和压比的影响大小。基于Sobol灵敏度分析的结果表明:在近失速工况下,进口总压和出口背压扰动对性能变化的影响存在强烈的耦合作用。最后对流场进行统计分析,揭示了边界流动扰动对该压气机流场和性能变化的影响规律,并评估了气动设计的鲁棒性。