基于并行遺傳算法的風扇-壓氣機葉片氣動優(yōu)化設計.pdf

1、數(shù)值氣動優(yōu)化設計方法是計算流體力學和數(shù)值最優(yōu)化理論相結合的一種跨學科自動設計方法，它較少地依賴設計人員的經(jīng)驗，能實現(xiàn)多目標優(yōu)化設計和多設計參數(shù)組合優(yōu)化設計，但是該方法對流場計算精度和計算機速度要求較高，直到近些年，隨著計算機技術的發(fā)展得以快速發(fā)展。
　　 本文風扇/壓氣機的數(shù)值氣動優(yōu)化設計重點研究四個關鍵技術：研究耗時少、計算較準確的葉片通道流場數(shù)值計算方法；研究具有良好尋優(yōu)能力的數(shù)值最優(yōu)化方法；利用計算機輔助幾何設計技術，研究

2、三維葉片造型的參數(shù)化方法；研究以氣動性能為目標的多目標函數(shù)構建方法。本文編制大量程序源代碼實現(xiàn)了上述氣動優(yōu)化設計關鍵技術，并在此基礎上展開下列具體工作：
　　 研究了葉片通道流場計算方法。針對雷諾平均三維NS方程流場計算耗時較長，本文利用Denton的粘性體積力流場計算方法編制程序，對葉片通道流場進行了仿真計算，大大縮短了流場計算耗時。通過美國NASA 67和37號轉子計算算例，探索出該程序經(jīng)驗參數(shù)設置規(guī)律；并將粘性體積力方法的

3、計算結果與實驗數(shù)據(jù)、NUMECA軟件計算結果進行比較，驗證了粘性體積力方法的準確性。
　　 研究了高效率的并行遺傳算法。采用實數(shù)編碼、自適應算子、小生境技術等對基本遺傳算法進行改進，提高了搜索效率和全局尋優(yōu)能力；采用WinSock通訊機制、多線程技術、主從結構體系，實現(xiàn)了基于局域網(wǎng)多臺計算機或服務器多CPU并行優(yōu)化，大幅度縮短了優(yōu)化時間。
　　 研究了風扇/壓氣機三維葉片基于修改量的參數(shù)化方法。這里提出了以葉片積疊線、葉

4、片型面、子午面流道和葉片弦長都作為設計變量的多變量組合優(yōu)化設計思想。在葉片型面參數(shù)化中，引入借鑒多重網(wǎng)格法和Beizer遞推算法的多層參數(shù)化方法，并與遺傳算法結合，達到提高尋優(yōu)效率的目的。為了統(tǒng)一規(guī)范積疊線參數(shù)化描述，將葉片的彎曲設計、前后掠設計和葉片弦長設計與計算機輔助幾何設計方法的三維旋轉、平移和縮放建立對應關系，構造葉片參數(shù)化方法的矩陣公式。
　　 本文采用了基于修改量的參數(shù)化方法，在優(yōu)化設計前，需預先給定初始葉片。通過對

5、任意回轉面與平面葉柵流動分析，明確了兩者流動差別，最終選擇基于回轉面流動方法進行葉型設計。初始葉片由任意回轉面葉型沿徑向疊加形成。
　　 將風扇/壓氣機優(yōu)化設計各個關鍵技術研究形成的模塊整合成優(yōu)化設計軟件。軟件各模塊通過全局變量執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，既保證了各模塊的相對獨立，又便于軟件編寫、調試和功能擴展。軟件具有使用簡便的用戶界面；具有二維、三維葉片并行優(yōu)化設計功能；并有較豐富的計算結果后處理及結果圖形顯示能力。多個二維葉型和三維葉片