三维叶片造型尤流体工程技术

NUMCAFINE/Design3D2.1- 训内FINE/Design3D设计及优化理FINE/Design3D绍………..Page2FINE/Design功能模块表………………Page4FINE/Design3设计论……………….…PageFINE/Design优化理论…PageFINE/DesignD优化实例…PageFINE/Design3D介什么是 NUMECAInternational开发的，专门用于叶轮机械三维叶速设计及优化的FINE/Design3D的应用离心/轴流/混流式压气机、涡轮、泵、诱导轮、扩压器以及变矩器等的叶轮设a INE/Design3D介绍( E/Desgn3D技特INE/Desin3D功能三 片造

—商业软.三维叶片通道流场 分三维 数据库生三维 优FINE/Design3D功能模FINE/Design3D子模块CFD_SDatabaseFINE/Design3D功能模FINE/Design3D子模块CFD_SDatabase与FINE/Turbo嵌接可实现设计－流场校核－叶型修改－再校核的功能。也可以作为初始设计方案，在此基础进自动优化（Database&Optimization)子午通道设计(Bezier/B-Spline/Line-Bezier复合成型流面设叶片特征位置设计参数（积叠线/子午方向位置周向位置/弯扭参数截面参数定义（叶片数/中弧线/压力面/吸力面定义前后缘定义/分流叶片定义可提供叶型模化始叶设控制参数。与Database&Optimization嵌接可对已有设计方案进行优化可提取离散点叶型的几何特性，并进行几何分析。其中包括叶型几何角分布、厚度分布、喉口面积、转动惯量、惯量、截面积、压Screening模块可实现完成流场计算前处理、求解以及后处理的工作，并提供流场信息的可与AUTOBLADE嵌接实现叶片的设计－流场分析－叶型修改－再分析－报告的功能。与AutoBlade_Fitting可实现对已有设计方案的校核－修改－再校核－提供报告－方案比较根据用户拟改变的参数范围来生成相应的数据库，自由参数及样本数目可由用户自行定义。对数据库中的每一个样本自动提子午通道形状控前掠/后掠角度及弯曲位置/角叶片数安装角/几何前后缘形叶片厚度分压力面/吸力面控制点PagePage参数及性能指标，采用遗传算法、模拟退火算法等人工智能进行多目标优化。PagePage gSgn3D实施 gS初始叶/初始叶/结构约参数化造型 叶片优流场分优化结控制方e场报方e场报告FinPagePageFINE/Design3D设计方采用截面造型及NURBS三维积叠方法来控制叶型三变化规律；根据压力面吸 控制点以及基准线进行构IIIV.通过与主叶片中弧线相同形式/可修改方式来FINE/Design3D优方法阶阶方Radomwak/randomsearchGenetic新一代样本。抛出劣势样本，保留优势样本并生子代样Simulated秀样本自动保留，而其它样本的接受几率随着“温度”的降 E/Design3D优化方法GradientGradientbased按照函数F的反向修改设计参数最简单的梯度几何参数平移度需额外计算时Cnjugategradient使用前迭代步的信息来加速收敛速度收敛速度以改Secod-ordergradient采用海赛行列式方法，利用使目标函数F最小化的步长信息.快速的收敛速海赛因子很难通过解析或者数值方法得，并且非常时。FINE/Design3D优化方法FunctFunctonApproximation原始分析程序的简根据一系列分析结果进行数值插神经网络方法,响应面零阶方梯度二者结优化结束阶段，采用原始分析程序对近似PageFINE/Design3D优化理FINE/Design3D优化途采用算法寻找用户自定义目标函数的最在较的时间内便可以实现算法及3DN-S计PageFINE/Design3D优化理ptimizationuptimizationuesan mdeinstead DNSslvehs llowsteuseofgneic inanefficientPaeFINE/Design3D优化Step1:创建流动计算结果的计算数GPageFINE/Design3D优化理GApproimtePgeFINE/Design3D优化理Step3:根据优算法预测(GneticAlorithm,Gradientmethod,…)PrePreicedGPagegegeFINE/Design3D优化理Step4对预测的最优叶型CFD-NS分mmCFDresultsPrdicedNwFDresultGgegeFINE/Design3D优化理mmCFDresultsGFINE/Design3D优化理Step6预测新的PredPredctdGPgePagePageFINE/Design3D优化理Step7:再次对优化的几何叶型进行 -NS计Theaccuacyof neuralnewor increasTheaccuacyof neuralnewor increass vicinityofthePreictdCFDrsutGInputlayer(arameters)Outputlayer(prformance)Inputlayer(arameters)Outputlayer(prformance)hiddenhiddenFINE/Design3D优化理 IitialPopulainFtnessEvauation Reprodction Reprodction atinPanomgeneratinofgeometrial etrsANNisuse ealuatetheFINE/Design3D优化理单目summationofalobjectiv Function=Pi( PMinimumallowabumPMinimumallowabumP P

anbeapliedtovariousAnyquatiiesextactedbytheCFDpst-Any uant omputdfromthe sidecnsraitapplied

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FINE/Design3D化理对一系列类似的叶型进行CFD分几何参数按照随机法修为优化提供初始数据库样必须定义几何参数变化范CFD计算的精度必须得以保证，以进行系列几何形PagePageFINE/Design3D优化理用户定义同的目以及几约 动目标效率,流量,扭距,压比,气流 或定位)结构目标:厚度分布,惯矩可进行工况点优

，可能需要对因根据不同的边界优PagePageFINE/Design3D优化实轴流涡轮静叶积规律优轴流风扇跨音速轴流涡轮NASARotor37跨音速压气液力涡轮叶带分流片离心压涡轮动叶多工况点NASARotor37优优化设算例描高压涡轴向进出口气流角=- 进口总压及总温分

自由参数积叠规周向积叠规律三个参轴向积叠规律三个数

目标效率最大叶片截面线SSconday knowntohveasgnficaton turineperformnc.Th purposeofhis casestuddemonstratetatFINEDeign3Disabletoauto aticallyopti sackingeanoaturbilade tothePageAfftAfftertAfterAfter2design两次优化之后叶栅损失减少20%.优化后的叶在上下端壁两侧有很大倾斜。这与降低二次流所对应的叶型形状相符。FinaFinaOptimizedBlade轴流涡轮静叶积规律优轴流风扇跨音速轴流涡轮NASARotor37跨音速压气液力涡轮叶带分流片离心压涡轮动叶多工况点NASARotor37PageStageStageeficecyimprovedby5Pageull

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Pae轴流涡轮静叶积规律优轴流风扇跨音速轴流涡轮NASARotor37跨音速压气液力涡轮叶带分流片离心压涡轮动叶多工况点NASARotor37PagePage几何模 线及积叠规律优总自由参数:气动优化目提高气动效保持喉口面积不变（流量不变保持总压比不进口静压不能结构优化目增加叶片厚增加所有截面的Page初始数据库样本数目1成功修改结构厚度~扭转惯量增加5~保证三维喉口面优化步Page叶型比ub-- --Shroudub--init--ShroudPage轴流涡轮静叶积规律优轴流风扇跨音速轴流涡轮NASARotor37跨音速压气液力涡轮叶带分流片离心压涡轮动叶多工况点NASARotor37PagePagePageNACA3转优优化设算例描述进口给定气流 出口给定静

几何约束出口气流截面面截面转动惯

优化目标：效速压气机叶轮的优化.另外，对于跨音速转子，结构特性也是一个需要保实FinFinl DbadeshapeofthePagePage0.6度差别）。最终，所有的结构结束参数都在原始参的5%变化范围次优化迭代之后，率由84.8%提高至InitiaInitiadesignOptimizeddesign轴流涡轮静叶积规律优轴流风扇跨音速轴流涡轮NASARotor37跨音速压气液力涡轮叶带分流片离心压涡轮动叶多工况点NASARotor37Page液力变矩器优 箱)目标:增加扭距比约束:保持泵轮ageTTPRSZ(CFDcalclaionprformedonwhole相对速度吸力面侧低动量

300k域明显（离600knoBlBldeto-Bladeviewatmid参参数化拟合Pge自由几何参数–端壁、叶片型及积叠律初始数据库样本数:120优化结bestMassFlowPumpTrque135>C>1TorqueR1.12 rtioinreasedby035%,consraintsPageububMeridioMeridioal GeometryGeometryPage Page轴流涡轮静叶积规律优轴流风扇跨音速轴流涡轮NASARotor37跨音速压气液力涡轮叶带分流片离心压涡轮动叶多工况点NASARotor37Page优化优化 减小损失系数 截面 优优化目标 减小损失系几何几何约尾缘半截面定定5SSEP1–几何模型定义中弧线:压力面及吸力面 ezier控制 数目:由FittiFittigoftheinitialPageOptimizOrigiOptimizOrigial- 结-- LossCoefficient0.0-TralingedgeradiusrTE2.4E-A eitflowangle2omenofinertiaImin[m46.28-6SectionareaA[m2 Page叶片表面数叶片表面等叶片表面数Page traersea50%span( efrom from esignperfOff-DesignCompuCompu -5,1,15de轴流涡轮静叶积规律优轴流风扇跨音速轴流涡轮动NASARotor37跨音速压气液力涡轮叶带分流叶片离心压气涡轮动叶多工况点NASARotor37Page带分流叶片离心压气优化目提高出口静降低功自由参端壁形叶片形积叠规分流叶片位Page端壁形状InitInitIntiSSzeofparametric周向积叠方式Page主叶片及分HubHubTipSzeofpaametricsp分流片前缘子午位置总由参数数目Page数据库压样本数目:优化目提高效率(Static-厚度分布不化结Eff.Eff.(Power(Efficiency,Efficiency,is,

Ps2Pt1

Eff,is,ST Tt20 0,2 Qkg

age

OptimisdInitalMMinSplitter中叶展处型面压

Page轴流涡轮静叶积规律优轴流风扇跨音速轴流涡轮NASARotor37跨音速压气液力涡轮叶带分流片离心压涡轮动叶多工况点NASARotor37Page攻角攻角优大流量工(+8攻角75%叶75%叶高型面负几何模型定叶片截面(2截面中弧线：进口、出口角、安装角压力面及吸力面:Bezier控制点积叠规Bzier-lineBezier总几何参优优化目提高所有工况点的效率数据库样本数目:Pae设计点效率从94,6%提高为GainGainofInitialgeoetry 多工况点优化得整工况线上效率的提升多工况点优化得整工况线上效率的提升Page优化结第一个优化结果（默认）未满足出口气流角约第二个优化结果对气流角进行优Exit50130000132000134000136000138000140000 148000OuletOulet

MaimumOptimisation(defult)Optm