[发明专利]基于NSGA-II的拟S1流面反问题优化方法

说明书

本发明提供了一种基于NSGA‑II的拟S1流面反问题优化方法，将所得到的控制参数作为优化的变量，将效率和压比作为目标函数，经过多次迭代，最终寻得优的载荷分布使得效率和压比最大化，用以替代传统依靠设计经验来控制载荷分布的反问题设计方法。本发明通过遗传算法的手段来自动搜索能够让压气机气动性能最优的反问题载荷输入，解决了以往反问题输入载荷对设计者经验需求较高的问题。

技术领域

本发明涉及航空发动机的气动领域，尤其是一种拟S1流面反问他优化方法，本发明设计单/多叶片排/多级风扇/压气机气动设计，以及拟S1流面的的反问他设计方法。

背景技术

压气机作为航空发动机的重要组成部件，其单个部件的工作性能对航空发动机整体的工作性能起到了决定作用。由于其结构和内部流动的复杂性，压气机的设计一直以来是工业界的难题。同时高速旋转的压气机在运行过程中难免会出现结构不稳定、结构过度变形和气动失速、喘振等不稳定现象，这使得气流在压气机内部的流动变得极其复杂，为压气机的设计带来了严峻的挑战。

传统的压气机设计方法主要分为两大类：正问题设计方法和反问题设计方法。

传统正问题设计通过一维平均半径设计、二维轴对称通流设计以及三维性能分析和优化设计完成整个压气机叶片初始设计和流场分析。如果该流场结构不满足设计要求，需要不断调整初始叶型的几何构型，反复求解其流场中参数的分布情况，直到达到设计目标。在这个过程中，重复步骤多，设计周期长，效率较低。

而反问题设计方法是在对原始叶型进行三维CFD求解，得到流域中流场细节之后，设计人员给定流场中气动参数的分布作为设计变量，输入求解器中进行反问题计算，最终得到满足设计人员输入的目标参数分布的叶型。文献[刘昭威,吴虎,唐晓毅.跨声速轴流压气机转子反问题优化方法[J].推进技术,2015,36(09):1309-1316.]中基于反问题的设计方法，对叶珊的激波进行了控制，文献[刘昭威,吴虎,唐晓毅.跨声速轴流压气机多叶排反问题优化方法[J].西北工业大学学报,2016,34(01):118-124]、文献[梁言,吴虎,刘昭威.多级环境下轴流压气机反方法改型设计[J].航空动力学报,2018,33(01):201-208.]发展了一种轴流压气机多叶片排的改型方法。由此可见相比与正问题设计，反问题设计的目的性更强，设计流程也得到了简化，能有效地提高设计效率。

然而在实际操作过程中，对一个三维的叶型进行反问题设计所消耗的计算资源以旧较大，故为了简化计算量，文献[贾娟娟.轴流压气机拟S1流面反问题技术研究]提出将三维叶型沿径向区域选取多个叶高截面作为设计截面，主动修改设计截面气动参数分布，其余叶高截面气动参数分布不变并将其分布特征作为设计变量，输入全三维粘性反问题设计计算程序中，最终得到满足目标气动参数分布的气动性能提升的单、多叶片排/多级压气机叶片。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于NSGA-II的拟S1流面反问题优化方法。本发明基于全三维粘性反问题设计方法计算周期长，而拟S1反问题改型目标参数(载荷)分布的给定需要依赖大量的设计经验等缺点。提出了基于NSGA-II算法优化拟S1设计流面载荷分布的方法。拟S1流面是沿叶片径向Blade-to-Blade流面选取的任意回转面，在设计过程中单个流面计算量小，利用计算量小这个特点，故可以快速获取多组不同输入参数下计算所得到的结果，便于利用NSGA-II算法进行增压比和效率的优化设计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：