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《不同折转角弯曲扩压叶栅性能数值研究及优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第20卷第3期2005年5月热能动力工程Vol.20,No.3JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWERMay,2005文章编号：1(X)12060(2005)03025804不同折转角弯曲扩压叶栅性能数值研究及优化设计陈浮,陈绍文，赵桂杰,王仲奇(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨15()()()1)收稿日期:2(X)4-07-02；修订日期:2004一09一06基金项目：国家自然科学基金资助项目(50236020)；国家科技部973基金资助项目(G1999022307)作者简介:陈厅東溺-)朗，辽宁沈阳人，哈尔滨工
2、业大学教授.摘要:通过数值模拟研究不同折转角弯曲扩压叶栅中弯高、弯角对其气动性能影响，利用试验设计和遗传算法实施方案选择和优化设计，给出不同折转角下弯高、弯角呆佳匹配范围。结杲表明，3种折转角情况下弯高、弯角的最佳匹配规律是不同的,随着扩压叶栅折转角的増大，较小的弯高和弯角匹配将更有效减少气动损失。关键词:折转角;弯高/弯角；试验设计;遗传算法;优化中图分类号:TK14文献标识码:A1引言现代高性能压气机重要发展趋势之一就是加大气体在叶栅中的折转能力，进而有效提高级压比或负荷。随之产生的问题是大折转角扩压叶栅中流动具有强三维性，端壁附近流体极易分离，导致气动性能急剧恶化「门。
3、研究结果表明，叶片弯曲对改善扩压叶栅内部流动状况和降低损失有明显效果对气动和儿何参数一定的压气机叶栅，存在可使其能量损失最低的最佳弯角⑷。因此，通过弯高、弯角优化匹配改善大折转角扩压叶栅流场性能就成为高性能压气机设计屮的一个新课题。遗传算法作为一种简单实用、可靠性和鲁棒性强的全局性优化算法,被广泛应用于叶轮机械优化设计中&〜6】。本文以叶栅流场CFD计算为基础,结合试验设计方法和遗传算法，对采用叶片止弯设计的不同折转角扩压叶栅气动性能进行了对比研究，得到了弯高、弯角等参数间的优化匹配规律，为大折转角压气机叶片的应用进行了有益的探索。2方案选择和数值方法选用NACA65-24A
4、10-1()叶型，设计叶型折转角为4乏确定计算样本方案C弋验设计方法的一种*获得较好的结果7打•顶部半径rt=575mm,叶片根部半径rh=475mm,轴向弦长B=10()mm,叶片数为45o计算网格的牛成采用GAMBIT商业软件，网格结构为非结构化六面体网格，离开端壁和叶片表面第一层网格的距离为5x10-5m,所有计算样本的平均计算网格数为334750,网格如图1所示。叶栅进口总温为30()K,设定当地大气压为101325Pa,入口总压为4()00Pa,叶栅出口静压为大气压。数值方法采用FLUENT商业软件求解器对三维粘性流场进行求解，湍流模型采用k-e模型。表1优化变量和
5、取值范围优化变量最小值最大值间隔符号弯角/(°)1.()39.02.0Xi弯高/%13991X2图1计算网格图3遗传算法优化遗传算法最优化方法通常可归结为应用遗传算法求解最大化问题，利用数学公式可描述为max/(x)€S°式中f()为目标函数,S为适应域。目标函数.fd)是一个二次多项式的表达式，如下式所示：7=%+軒円+會諾十工讣咛j其屮："1-；”即叶諭出口效率川羸优化参数的个数，二次多项式的系数b｝的个数为6+1)(〃+2)/2。设计选取的优化参数为叶片弯角心和弯高工2,优化目标为叶栅出口最小质量平均总压损失系数。利用最小二乘拟合方法,对样本弯高、弯角及叶栅出口质量平均
6、的总压损失系数的数值计算结果进行逼近，以获得不同转角下二次多项式的表达式，再利用遗传算法进行数值优化。遗传算法的相关算子及优化参数如下：(1)参数编码方式为二进制编码；(2)对遗传子代采用基于共享机制的小生境技术;(3)选择方式为锦标赛选择；(4)多点交叉，交叉概率：0.6；(5)跳跃突变，突变概率：().()1。4结果分析与讨论扩压叶栅中应用正弯叶片可以有效控制叶栅内的压力分布，使得叶栅内的流场结构发生变化，气流的漩涡流动结构也随之改变，从而影响了叶栅的气动性能。•文献［8〜9］中就把正弯叶片应用到扩压叶栅试验中取得了良好的效果：采用正弯曲叶片可以改变叶片表面的静压分布，建
7、立“C”型压力分布，形成了从两个端部分别指向中部的正压力梯度，大量积聚在端壁处的低能流体在这个正压力梯度的作用下被抽吸到中部的主流区，叶栅端部区域的流动状况被显著改善，降低了二次流损失。考虑到本文研究屮端部损失占总损失的比例比较大，降低端部损失是减少总损失的关键所在，因此也采用了叶片正弯的弯曲方式。不同气流折转角时候的叶栅流动狀苏細明显的区別，图2所示为较易发生分离的叶片吸力面表面的极限流线的分布图。从图中可以清楚地看到，随着气流折转角的增大，吸力面表面流动的分离越来越明显，流动呈现出越来越复杂的特征,
