单级涡轮叶片-优化步骤

南京天洑软件有限公司单级涡轮叶片CAESES优化仿真步骤说明汇报：韦广健TEL：一CAESES软件介绍二涡轮叶片参数化建模三涡轮叶片参数优化四CFX软件链接五优化仿真结果第一章CAESES软件介绍一CAESES软件介绍背景-CFD成为重要设计工具1.1计算机性能的提升，使得CFD计算更快捷、高效，越来越多应用于解决一些复杂问题。CFD计算结果可以较快获取产品性能，尤其在前期的设计验证阶段，可以指导设计工作。CFD在设计(前期设计)过程中使用得越来越多且越来越容易，已成为重要的设计工具下一个想法是创建自动化的过程：实现设计探索和优化优化所需要的工具:优化过程、变量和数据管理的把控

前期优化分析所需几何数据的生成

前期CAD建模仿真分析

前期CFD/CAE 一CAESES软件介绍背景-传统设计流程的难点1.1创建一个设计优化过程时遇到最典型的瓶颈：和几何的可操控性相关控制几何形状的变量繁多，有时需要手动调整模型有时不会随着参数的变化而发生改变很难考虑以及自动实现约束仿真部门需要CAD部门提供几何模型（模型变种）模型可能包含了太多仿真过程不需要的细节CAD模型的质量可能并不适合进行仿真分析（比如：水密性）在设计过程中整合所有所需的工具也十分困难一CAESES软件介绍CAESES的设计创新1.2产品设计前端应用CAE系统设计和优化都贴合CFD工具尤其注重简化构造复杂几何模型的参数在一个界面里整合了所有功能过程优势对产品更深刻的理解更高的设计效率和更短的设计时间节省花费和降低风险对CAE和CAD有效的资源分配一CAESES软件介绍CAESES设计前端CAE系统1.3参数优化

敏感度分析

优化

结果评价，后处理CAD建模

不需要对几何简化处理

几何变形自由自在

自动化程度高几何变化前处理软件耦合后处理优化评估CFD仿真

现代化的流程快速，精确

自动网格生成

批处理网格生成求解器一CAESES软件介绍CAESES的自动化流程1.4几何模型前处理软件耦合后处理优化评估高度集成化的图形用户界面是其他同类软件并不具备的强健

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高度耦合

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高效一CAESES软件介绍CAESES的基本功能-CAD建模及前处理1.5涡扇发动机波瓣混合器用于分析的几何复杂自由曲面自动化、稳健的变化出色的参数控制使得高保真曲面得以准确的表达应用于CFD的模型,消除几何损坏和修复的必要具有独特的曲面造型技术，能够有效减少构建复杂曲面所需参数方便的添加及自动实现控制约束复合策略全参数化建模在CAESES里建立部分参数化建模

导入已有的几何进行变形控制一CAESES软件介绍CAESES的基本功能-CAD建模及前处理1.52D参数化叶片截面参数的径向分布弦长厚度栅距Rake倾角生成3D叶片以这些参数和径向函数,可以生成螺旋桨模型用1个CAESES模型可以生成多个不同的变化一CAESES软件介绍CAESES的基本功能-仿真软件链接1.5将网格生成器、求解器以及其他一些分析工具快速、直接的耦合在一起，输出几何提供给网格工具，并从仿真结果中提取目标参数。一CAESES软件介绍通过优化策略控制几何改变DoE、Sobol算法、单目标、多目标优化、Dakota算法库等自动化报告和统计分析：设计表格、蛛网图和

流场剖面图等参数和流场直观比较CAESES的基本功能-优化及结果评估1.5一CAESES软件介绍面向客户第二章涡轮叶片参数化建模前缘：椭圆设计吸力、压力面：光滑Nurbs曲线设计（5个控制点）尾缘：圆弧设计二维叶型参数化设计2.1二

涡轮叶片参数化建模LE_radiusLE_ellipse_factorLE_DXLE_DYTE_radiusTE_DXTE_DYPressure_curveSuction_curve2.1二

涡轮叶片参数化建模前缘角度：水平夹角中间曲线：前、后部分用直线段长度控制尾缘角度：水平夹角LE_meta_angleTE_meta_anglePle_control_lengthPte_control_lengthSte_control_lengthSle_control_length二维叶型参数化设计2.1二

涡轮叶片参数化建模前缘夹角：直线段夹角曲线中间弧度：中间控制点X、Y位置尾缘夹角：直线段夹角LE_wedge_angleS_delta_YP_shift_XP_delta_YS_shift_X二维叶型参数化设计叶型位置转换2.2二

涡轮叶片参数化建模Scaling：比例缩放Rotation：绕Y轴旋转Translation：三维坐标系平移Rotation：绕Z轴旋转ZFeature功能使用-创建Feature2.3二

涡轮叶片参数化建模选中文件夹之外所有的模型特征，点击鼠标右键，选择createfeaturedefinition；在跳出的页面中选择General标签，修改TypeName为Axial_Blade_Section；选择Arguments标签，查看Category列表，发现同一文件夹下的参数并没有在一起，此时可以拖动每一个参数最左侧的序号，将同一文件夹下的参数拖到一起；拖动序号能够完成重新排序选择Attributes标签栏，将Accessible列表前的勾去掉；然后在Name列表中寻找到section，之后在Accessible列表对应的框中打钩，再寻找到profile，也在Accessible列表对应的框中打钩；选择CreateFunction标签栏，点击左下角的Evaluate按钮，如果没有error和warning的情况下，点击右下角的Apply按钮、Close按钮，保存并关闭feature，此时在模型树FeatureDefinition下就能看到该feature；选中模型树中所有的特征，创建文件夹，修改名称为00progress，留存feature创建的整个过程；2.3二

涡轮叶片参数化建模Feature功能使用-曲线显示在FeatureDefinition下选中feature：Axial_Blade_Section，右键选择CreateFeature，就会在模型树中创建出feature特征f1；点击f1前的“+”展开f1特征，能够看到f1中拥有Section和profile两条曲线，并且在3D视窗中能够看到曲线的样子；单击选中f1，在General列表分别勾选和不勾选Flip_Blade、Flip_Rotate，查看3D视窗中叶片的截面曲线的变化；2.3二

涡轮叶片参数化建模Feature功能使用-参数化重新在FeatureDefinition下选中feature:Axial_Blade_Section，右键选择CreateFeature，在模型树中会创建出feature的特征f2；单击选中f2，能看到此时的Flip_Rotate处于非勾选的状态；调整其他的参数，查看各个参数对叶片截面形状及位置的影响；Feature的创建过程到此也就完全结束了，进入三维叶轮创建环节。LE_meta_Angle

参数变化示意：2.3二

涡轮叶片参数化建模Feature功能使用-动画演示创建直线，命名为hub_curve，起、止点分别为[0,200,0]、[0,200,-500]；创建直线，命名为shroud_curve，起、止点分别为[0,500,0]、[0,500,-500]；创建Surfaceofrevolution，命名为hub，Generatrix设置为hub_curve，PrincipalAxis设置为Z轴，EndAngle设置为360，VResolution设置为200；复制、粘贴hub，修改名称为shroud，修改Generatrix为shroud_curve；选中新创建的4个特征，创建文件夹，命名为01face；2.4二

涡轮叶片参数化建模叶片三维造型-机匣轮毂叶型截面曲线的feature拥有比较多的参数，所以此处只创建两条方程曲线，用以简单说明叶片曲面的创建过程；创建直线，命名为line，起止点分别为[0,0.9,0]、[1,2.6,0]，控制叶片叶根、叶顶的高度位置；创建PlanerB-SplineCurve，命名Move_Tangent，控制沿叶高方向，叶片截面曲线的切向移动位置；2.4二

涡轮叶片参数化建模叶片三维造型-参数控制曲线创建CurveEngine，命名为engine；点击Definition的下拉箭头设置为Axial_Blade_Section，BaseCurve选择Section曲线；在Section_radius设置为方程曲线line，系数设置为200；Move_Tangent设置为Move_Tangent|curve曲线，系数为50；Engine中其他的参数，可以根据需要输入数值或者其他类型的方程曲线，此处将剩余所有的参数定义为特定的数值；2.4二

涡轮叶片参数化建模叶片三维造型-engine功能类别参数数值参数数值GeneralMove_Axis-55Blade_Angle90LELE_radius10LE_ellipse_factor2LELE_meta_angle-5LE_wedge_angle35LELE_DX50LE_DY70PressurePle_control_length15Pte_control_length30PressureP_shift_X0.6P_delta_Y25SuctionSle_control_length15Ste_control_length35SuctionS_shift_X0.6S_delta_Y85TETE_radius3TE_meta_angle65TETE_wedge_angle20TE_DX250TETE_DY-602.4二

涡轮叶片参数化建模叶片三维造型-造型参数列表选中engine创建MetaSurface，命名为face，修改Uresolution为200，创建出初始叶片如下图所示；调出3DOverView视窗，Z视图查看Move_Tangent的方程曲线；拖动Move_Tangent方程曲线上的控制点，使曲线变成图中曲线所示的样子，拖动的过程中可以在3DView中看到叶片曲面的变化；2.4二

涡轮叶片参数化建模叶片三维造型-曲面生成创建Brep，命名为solid；点击addsources的下拉箭头，将其更改为solidfromintersection；依次在输入框中添加曲面face、hub、shroud，对solidfromintersection前的小方框打钩，创建出实体叶片；2.4二

涡轮叶片参数化建模叶片三维造型-创建实体创建PeriodicBrep，命名为Blades；设置Geometry为solid，修改叶片数N为9，旋转轴Axis设置为Z轴；3D视窗中就能看到周期阵列后的实体叶片；选中新创建的所有特征创建文件夹，命名为02blade，轴流叶轮创建完成。2.4二

涡轮叶片参数化建模叶片三维造型-创建叶轮第三章涡轮叶片参数优化3.1三

涡轮叶片参数优化转子叶片优化思路参数化模型叶片造型参数已知条件

单级涡轮叶片CFX初步气动分析CAESES三维建模CAESES等截面叶栅筛选优化参数CAD建模CAE优化优化仿真CAESES链接3.1三

涡轮叶片参数优化转子叶片优化思路三维模型3个优化截面3组叶栅模型截面1截面2截面3静子转子叶栅2叶栅3叶栅13.2三

涡轮叶片参数优化流场对比分析截面1截面2截面3完整方案3.2三

涡轮叶片参数优化流场对比分析截面1截面2截面3完整方案3.3三

涡轮叶片参数优化压力对比分析截面1截面2截面3完整方案截面1截面2截面33.4三

涡轮叶片参数优化优化参数筛选分析结论1：三个截面流场与完整叶片吻合良好分析结论2：初始叶片往叶高方向呈现了良好的线性关系分析结论3：进气角度和出气角尚有优化空间3.4三

涡轮叶片参数优化优化参数筛选参数1：前缘角度（le_meta_angle）变化范围（-5%~10%）参数2：前缘位置（le_dx）

变化范围（-6%~12%）参数3：尾缘角度（te_meta_angle）

变化范围（-15%~0%）参数4：尾缘位置（te_dx）

变化范围（-22.5%~0%）

优化目标：出气角以及出口总压

第四章CFX软件链接4.1四CFX软件链接CAESES软件CFX链接流程CAESES参数化造型造型参数已知条件

单级涡轮叶片Curve数模tse脚本pre脚本软件链接仿真优化优化模型+仿真数据Turbo_Crid网格生成CFX_pre边界设置CFX_solve仿真计算CFX_post后处理res文件cse脚本4.2四CFX软件链接CAESES外部软件链接设置模型链接1.选中模型2.设置类型软件链接1.各类脚本文件2.设置相对路径结果链接1.结果输出文件2.设置读取参数图片链接输出图片4.3四CFX软件链接CAESES运行设置-bat脚本Step1：寻找ansys软件安装路径，以及软件各自读取的脚本（默认为当前路径）；Step2：每个步骤运行一遍，并录制相应脚本；Step3：撰写bat脚本文件，可试运行，以确认脚本文件无误。4.2四CFX软件链接CAESES优化算法-Sobol算法本算例采用较为通用的Sobol算法，对前、尾缘倾斜角进行随机取值前缘角变化范围：-5%~10%尾缘角变化范围：-15%~0%采集点数共21个该算法优势：1.通过随机取值的方式，对两个参数进行优化，得到较优方案2.得到不同参数对叶片性能的影响规律3.可为软件其他单/多目标优化算法提供基础数据第五章优化