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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
本文工作主要是围绕轴流压气机三维气动数值优化题目展开的。航空发动机向着更高性能发展的趋势，对作为核心部件的压气机提出了更大的单位流量，更高的增压比，更高的效率，更宽的稳定工作范围和更少的级数的要求。因此，为了提高压气机的性能，同时减少设计人员对于经验和实验数据库的依赖，数值优化技术被引入到压气机设计系统中。随着计算机技术和计算流体力学的快速发展，自20世纪90年代中期以来，压气机气动数值优化在探索中不断发展，目前在工程设计中已看到其发挥了一定的作用。首先，本文进行了压气机优化的算法研究。本文所采用的主要优化算法是遗传算法与人工神经网络响应面模型相结合的方法。这种方法不仅具有良好的全局寻优能力，而且在一定程度上可以克服压气机流场数值模拟非常耗时的题目，有利于加快优化速度。本文在基本遗传算法的基础上进行了多方面的改进，并自主开发了两套实用的遗传算法程序：带约束的单目标优化的遗传算法程序和带约束的多目标优化的遗传算法程序。本文优化所选用的人工神经网络为三层前馈神经网络。该神经网络的训练方法采用的是遗传算法结合误差反向传播算法的混合寻优方法，误差反向传播算法本质上属于梯度类算法。本文的试验设计为均匀设计。为了提高优化的速度，同时鉴于遗传算法和试验设计自身所具有的特点，自主开发了基于Message Passing Interface的主从模式并行程序。为了统一变量的参数化，同时鉴于自由曲线曲面所具有的光滑且易于控制的特点，自主开发了Bézier曲线应用程序。为了检验所开发的遗传算法程序的优化能力，不仅利用若干解析函数对两套程序进行了数值优化试验，而且进行了两个二维叶型的气动优化。优化结果均令人满意。基于上述算法，从实际工程需要出发，搭建了轴流压气机单排、单级双排、或者多级多排叶片的三维气动数值优化平台。本平台主要包含以下八个模块：均匀设计程序，人工神经网络响应面模型程序，遗传算法程序，误差反向传播算法程序，基于流线曲率法的准三维通流设计程序，任意中弧线叶型叶片造型程序，三维流场数值模拟软件NUMECA，强度分析软件ANSYS。其次，本文进行了压气机优化的气体动力学方法的研究。其主要方面为气动变量参数化的研究和多级压气机优化策略的研究。本文在选取气动参数作优化自变量的基础上，采用了保守的级优化来处理单级优化题目，并进一步地，采用了逐级优化策略来处理多级优化题目。需要指出的是，实用的压气机优化的基本约束条件是叶片满足强度要求。但是本文由于将工作重点放在了气动优化技术及优化策略的研究上，而暂不希望引入更重的计算负荷，所以既没有进行气体动力学和固体结构力学的多学科优化，也没有施加强度约束条件，转而采取了直接和相对简单的方法，即只对最优设计单独地进行强度分析，并且进行必要的结构调整。最后，本文进行了优化算法和优化策略的检验与工程实施研究。本文对某零级压气机的单转子叶片排进行了三个算例的优化。单转子叶片排的优化是基于反题目设计中的叶片造型设计技术进行的。优化目标均是极大化该转子的绝热效率，所选择的优化自变量分别为气动参数——相对气流角、脱轨角，几何参数——最大厚度相对位置。优化后转子的绝热效率分别提高了0.8、0.7、0.6个百分点。本文又对某轴流双级风扇进行了改型设计。改型设计的主要原因是初始设计的数值模拟的流量、增压比、绝热效率等没有满足设计要求。整个改型设计主要分为三步：极大化风扇流量、第一级转子复合前掠改型设计、极大化风扇效率。这两个优化是改型设计中最关键的环节，它们均是基于反题目设计中的通流设计技术和叶片造型设计技术进行的，并且所选择的优化自变量均为通流设计中叶片内部计算站上的环量分布。极大化流量的优化使风扇的流量提高了1.9%，同时使绝热效率提高了1.2个百分点。极大化效率的优化使风扇的绝热效率又提高了0.5个百分点。通过单转子叶片排和轴流双级风扇的气动优化，验证了本文开发的优化平台的工程实用性。对比于国内外已有的轴流压气机三维气动数值优化研究，本文主要有以下三个特点：一是，为与现代已经成熟发展的设计系统相接轨，不同于常见的用纯几何方法生成叶片，采用了传统的反题目设计方法生成三维叶片；二是，不同于直接优化几何参数，优化自变量选取了设计中具有物理意义的气动参数；三是，针对多级压气机的优化，提出了逐级优化策略。 |
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发表于 2024-1-29 17:01:21
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