流固耦合在涡轮多学科优化设计中的应用.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnautIcaSinicaDec．252013V01．34No．122777．2784ISSN1000一6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxb，buaa．educnhkxb@buaa．edu．cn流固耦合在涡轮多学科优化设计中的应用贾志刚1’*，王荣桥2，胡殿印21．中航空天发动机研究院有限公司，北京1000282．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191摘要：针对以往的多学科优化设计(MD())中未能考虑高精度的耦合分析，

2、开展了涉及耦合分析的多学科优化方法研究。以涡轮叶片为研究对象，兼顾优化效率和精度，提出了涉及耦合的涡轮叶片多学科优化策略。该策略以协同优化(C())策略作为框架，将可变复杂度建模方法(VcM)和3种精度(高、中、低)模型嵌入其中。其中，通过两点式标度函数和周期更新方法提高可变复杂度建模方法管理3种精度模型的能力。3种精度模型包括涡轮叶片的流固耦合分析、单学科分析和响应面近似方程。最终解决了涡轮叶片多学科优化设计精度和效率的难题，得到可行的最优化结果。关键词：流固耦合分析；多学科优化设计；可变复杂度建

3、模方法；协同优化策略；涡轮叶片中图分类号：V232．9文献标识码：A文章编号：1000一6893(2013)12—2777一08航空发动机的涡轮叶片结构复杂，长期工作在高温、高压、高离心力环境中。以往的涡轮叶片多学科优化设计(MultidisciplinaryDesign()ptimization，MD())[Io建立在单学科分析的基础上，再结合适当的优化策略，在可行域内寻找最优化设计。协同优化(CollaborativeOptimization，C())策略的算法结构和工程设计的组织方式一致，具有

4、模块化的特点。C()策略是Kroo等啦。于1994年进行飞机初步优化设计时提出的两级优化模型。Sangook等∞o分析了CO的收敛缓慢和计算花费过多等问题，并提出在子空间的优化中使用响应面近似提高其收敛性。国内的郭健¨1提出对系统级约束进行松弛，从而加快系统级收敛；韩明红和邓家裎[51采用改进相容性约束、增加系统级罚函数等手段，克服了CO算法中的计算困难。cO策略符合传统涡轮叶片设计的学科组织形式，各子系统模块只需负责各学科的优化，系统级的相容性约束负责学科问的协调。国内的学者开发了基于C()的涡轮

5、叶片优化策略¨j。由于该策略利用各学科的单学科分析，大规模数值计算的复杂性和严格的相容性约束严重限制了优化的收敛。随后，北航的MD()研究小组利用多种近似模型替代单学科数值分析，降低计算难度，易满足相容性约束口]，然而由于基于近似模型的CO策略过分地依赖近似模型，其优化精度也完全取决于近似模型，且得到的优化结果只是针对近似模型而言，难以准确地衡量三维模型的数值计算。在优化过程中，面对高精度分析的数值复杂性和近似模型的低精度问题，近年来国内外学者提出了可变复杂度建模方法(VariabIeCompIex

6、i—tyMethod，VCM)_8。1⋯。VCM将优化过程分割为内、外双重循环，内循环使用低精度模型寻优，提高优化效率，外循环利用高精度模型逐步修正收稿日期：2013—02一07；退修日期：2013—05一07；录用日期：2013一06—13；网络出版时问：2013一07—1510：12网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／111929v201307151012001html*通讯作者Tel：010·58354718E—ma}

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19、3t34(12)：2777—2784费志礤，I荣桥，葫毁印流雷耦合在涡轮多学科优化设计中的应用．航空学报，2013，34(12)：2777—2784，航空学报Dec252013Vol34No．12低精度模型的精度，改善优化

20、精度。传统VCM的主要技术包含两种精度分析方法、修正因子和更新方式。MacMillin[121在气动分析时采用常值修正因子的VCM求升阻比；并用问隔法更新修正因子求稳定度及其控制导数，其中复杂模型每隔5次优化内循环被使用一次。Robinson等¨3j的研究证明低、高精度模型通过修正因子连接，可以共同组成优化过程并且节省大量的计算成本。随着航空发动机性能要求的提高，涡轮叶片学科间耦合作用也越来越突出。如果能在MDO中考虑学科耦合效果，那将会极大地提高优化设计的准确度。然