[发明专利]轴流压气机拟S1流面反问题设计方法

权利要求书

1.一种轴流压气机拟S1流面反问题设计方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：选定要进行反问题设计研究的轴流压气机叶片，计算确定设计截面拟S1流面在子午平面内上下型线的坐标：

r_s+r_h＝2r_m (2)

其中，A_S1代表拟S1流面环面面积，r_s和r_h分别代表拟S1流面上下型线半径坐标，r_s-r_h代表拟S1流面厚度，r_m代表拟S1流面平均半径，轴流压气机叶片轮毂和叶尖半径会随着轴向坐标的变化而变化，通过线性插值得到拟S1流面平均半径r_m：

r_m＝χ·r_hub+(1-χ)·r_tip (3)

其中，χ∈[0,1],代表流面系数,r_hub和r_tip分别表示叶片轮毂和叶尖的半径，将式(3)带入式(2)，联立式(1)进行求解，得到拟S1流面上下型线坐标为：

步骤2：通过Numeca中AutoGrid5模块进行拟S1流面的构造，将r_s和r_h沿轴向坐标的变化写入初始几何GeomTurbo文件中，并导入AutoGrid5模块生成结构化网格拓扑结构，输出Plot3D格式的网格文件，将Plot3D网格文件转化为.dat的网格文件，并将叶片排定义、边界条件定义和其他参数设定分别对应输出到BladeRowDefinition.dat、BoundaryDefinition.dat、和Config.dat中，同时，通过时间推进方法求解全三维粘性控制方程，实现复杂跨音流场的定常求解，将经过CIDS配置的网格文件，对初始叶型进行全三维粘性流场数值模拟，获得流场流动情况以及原始载荷、静压、压比等流动参数分布；

步骤3：通过参数化方法，采用B样条曲线重新构造新的载荷分布曲线，或是通过现有原始载荷分布基础之上进行调整得到新的载荷分布曲线；

对新的载荷分布曲线采用三点加权参数化光顺方法进行：

其中，P_i^new表示光顺后的载荷值，P_i表示研究点当前的载荷值，P_i-1和P_i+1分别表示研究点的前一点和后一点载荷值，ω为光顺因子，取值范围为(3，20)，取值越小，表示对载荷分布的光顺幅度越大；

步骤4：将目标载荷分布进行反问题计算，通过载荷与中弧面之间的定量关系，计算得到拟S1流面中弧面虚拟移动速度及相应的虚拟位移，计算公式如下：

其中上标正、负号分别代表吸力面和压力面参数，表示拟S1流面吸力面法向虚拟移动速度，表示拟S1流面压力面法向虚拟移动速度，Δp_sp代表目标载荷，(p⁺-p^-)表示实际计算载荷，ρ⁺c⁺、ρ^-c^-分别代表吸、压力面气流密度与声速的乘积；由式(7)可知，当拟S1流面实际计算载荷(p⁺-p^-)逐渐向给定目标载荷Δp_sp靠近直至两者相等时，和逐渐变为0，假设拟S1流面中弧面的虚拟法向速度v_n与吸、压力面处速度相等，即：

v_n乘以虚拟时间步长Δt，计算出拟S1流面中弧线的虚拟位移δf为：

δf＝Δt·v_n (9)

将原始叶型几何厚度叠加，采用式(9)更新后的中弧线面上完成吸、压力面型线的更新，式(9)的推导过程则决定了在计算收敛后，更新得到的新的叶型几何其载荷分布与目标载荷分布完全一致；

步骤5：由于每步反问题均会更新叶型几何，导致计算域边界发生变动，对初始生成的计算域内部网格节点坐标进行更新；在保持初始网格结构和拓扑不变的情况下，依据式(9)计算得到的拟S1流面吸、压力面的虚拟位移量完成对叶片几何边界的更新，进一步采用弹簧光顺动网格技术更新网格计算域边界及内部网格节点坐标；

弹簧光顺模型将拟S1流面网格拓扑内所有节点之间网格线模化为虚拟弹簧系统，在进行拟S1流面反问题计算前，网格内部的整个虚拟弹簧系统处于受力和形变的平衡状态，即弹簧受到的挤压或者拉伸力与形变产生的作用力相互抵消，进行拟S1流面反问题计算时，吸、压力面坐标的不断更新，使相邻节点之间的网格线长度发生变化，根据胡克定律(Hook’s Law)，各网格节点受到弹簧力F_i的作用，如下式(10)所示：

其中Δs_i和Δs_j为两个相邻网格节点i和j对应的坐标变化量，n表示所生成网格拓扑的总节点数，k_i,j为当前研究网格节点与相邻节点间网格线的胡克系数，其中下标i表示当前网格点编号，j表示相邻网格点编号，定义如下：

其中l_i,j表示相邻节点之间网格线的长度，当计算域更新产生坐标变化量时，通过式(12)的迭代求解，计算出计算域边界及内部各网格节点的坐标变化量：

将坐标变化量叠加到现有网格节点坐标就得到更新后的计算域网格，此时网格内部的整个虚拟弹簧系统又达到新的平衡状态，直到拟S1流面反问题计算载荷分布与目标载荷分布重合，即计算达到收敛为止，即可得到满足目标载荷分布的新的叶型几何；

步骤6：对压气机叶片进行至少五个多设计截面的拟S1流面反问题设计，将反问题计算得到满足目标载荷的各设计截面的叶型几何，通过几何积叠生成新的全叶高压气机叶片几何构型，再通过全三维粘性正问题计算验证新的压气机叶片气动性能。