[发明专利]压气机壁面涡优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空发动机压气机优化设计方法，尤其涉及一种优化叶片壁面涡量流分布的压气机设计方法。

背景技术

压气机是航空发动机的三大部件之一，起到对气流压缩作功的作用。压气机的总性能指标包括流量、压比、效率等。计算流体力学(CFD)和各种优化算法的发展促进了压气机气动数值优化的发展。压气机气动优化，一般设定总性能指标如压比或效率作为目标函数，也可能选用两个以上指标组合形成多目标函数，在一定的约束条件下，以CFD为分析工具，针对叶型或弯掠形式进行优化。

压气机气动数值优化可以减弱对设计者经验的依赖，让计算机代替人自动寻找到较优的设计方案，可以大大减少人为修改的工作量。但数值优化目前也存在一些问题，如优化时间较长，成本高，特别是对于需利用CFD求解压气机内部三维流动的情况，优化过程中需多次求解流场，耗时更长；另外，由于设定的是总性能参数作为目标函数，优化过程中缺少对流动物理机理的把握，优化的参数缺少针对性，也会使优化代价很高，有时收益也较小。

压气机内部是个高强度的复杂涡量场，壁面是涡量产生的主要根源。壁面涡量流反映了涡量在壁面的生成率，其是流场内部产生分离和旋涡的壁面根源，可以揭示出涡量生成率大的关键区域。壁面涡量流定义为动力粘性系数与壁面涡量法向梯度的乘积，

σ=μ∂ω∂n---(1)]]>

其中σ为壁面涡量流，μ为动力粘性系数，ω为壁面涡量，n为壁面法向量。

若能在优化过程中控制壁面涡量流分布，针对壁面涡量流揭示出的关键区域进行优化，有望在优化过程中把握流动机理，有针对性地进行优化，从而缩短优化时间，提高优化效率。

传统的优化方法至少存在以下方面可以补充：

(1)将壁面涡量流作为诊断参数放入优化过程中，控制叶片壁面涡量流分布；

(2)针对壁面涡量流揭示出的关键区域进行优化，提高优化效率。

发明内容

作为压气机传统优化设计方法的补充，本发明提供一种壁面涡优化设计方法。

图1为本发明的压气机壁面涡优化设计方法的流程图。与一般优化方法所不同的是，本发明的方法在优化过程中以壁面涡量流峰值积分为目标函数或约束条件，针对壁面涡量流诊断揭示的关键区域进行优化，达到控制壁面涡量流并提高压气机性能的目的。

壁面涡量流是流场内部产生分离和旋涡的壁面根源，壁面涡量流诊断能揭示出叶片壁面涡量生成率大的关键区域，如图2所示为一跨声转子吸力面壁面涡量流分布，可以清晰地发现一条由激波/附面层干扰引起的正峰值带，其将引起流动分离，对压气机加功增压不利，对于转子应减弱正峰值并尽量将其推向下游。改进壁面涡量流分布的方向为：降低引起分离的峰值，使其位置推向下游，尽量使其分布平滑。将壁面涡量流作为叶片表面诊断参数放入压气机优化设计过程中，以壁面涡量流峰值积分为目标函数，或仍以总性能参数压比、效率作为目标函数而将壁面涡量流峰值积分作为约束条件，针对叶片叶型或弯掠形式进行优化，尤其可以针对壁面涡量流揭示出的关键区域如图1的跨声转子叶中区域截面进行优化，形成一种壁面涡量流指导的优化设计方法。

本发明的内容是一种压气机壁面涡优化设计方法，包括具有叶片壁面涡量流诊断功能，以及将壁面涡量流峰值积分作为目标函数或约束条件针对关键区域进行优化设计的功能。

附图说明

图1为本发明的压气机壁面涡优化设计方法流程图；

图2为跨声转子吸力面静压和壁面涡量流分布对比((a)为静压分布，(b)为壁面涡量流分布)；

图3为跨声转子优化前后特性曲线对比；

图4为跨声转子优化前后吸力面壁面涡量流分布对比((a)为优化前，(b)为优化后)；

图5为跨声转子优化前后叶根、中、尖叶型对比((a)为叶根，(b)为叶中，(c)为叶尖)。

具体实施方式