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低速叶型气动反问题设计方法

航空学报 2011年第7期32卷 1180-1188页

作者：杜磊宁方飞北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

低马赫数不可压流动中声速与流速大小差别巨大,采用基于可压缩流动控制方程的计算格式求解流场时,由于数值黏性的污染,解的精度低且收敛性差,通常可使用时间预处理技术来解决这一问题。在基于控制理论的优化方法中,共轭方程的Jacobian... 详细信息

低马赫数不可压流动中声速与流速大小差别巨大,采用基于可压缩流动控制方程的计算格式求解流场时,由于数值黏性的污染,解的精度低且收敛性差,通常可使用时间预处理技术来解决这一问题。在基于控制理论的优化方法中,共轭方程的Jacobian矩阵和流动方程的系数矩阵相似,因而在低流动马赫数下,求解共轭方程存在着与求解流动方程相同的数值污染和数值刚性问题。首先推导了带有预处理的Roe格式,然后发展了适合全速度流动的共轭方程求解方法,最后选取翼型和叶栅两个典型算例进行了验证。计算结果表明所发展的方法可很好地用于低马赫数时的气动反问题设计。

关键词：低马赫数预处理共轭方程反问题设计敏感性导数

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三维叶轮机叶片黏性反问题设计改进方法

航空动力学报 2019年第6期34卷 1380-1388页

作者：李艾挺朱阳历李文秦伟张雪辉陈海生中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

提出了一种改进的适用于三维黏性流场的叶轮机叶片反问题设计方法。该方法假设叶片的中弧线具有虚拟移动速度,其位移量由目标载荷与实际载荷的差值计算,并利用黏性底层厚度进行限制。采用三次B样条曲线插值方法对叶片中弧线进行光顺,新... 详细信息

提出了一种改进的适用于三维黏性流场的叶轮机叶片反问题设计方法。该方法假设叶片的中弧线具有虚拟移动速度,其位移量由目标载荷与实际载荷的差值计算,并利用黏性底层厚度进行限制。采用三次B样条曲线插值方法对叶片中弧线进行光顺,新叶型通过更新后的中弧线和给定的叶片厚度得到。算例验算结果表明:该方法能够根据设计意图对叶型进行修改,鲁棒性强,收敛速度快,叶片的可变自由度高,不依赖于特定的网格和求解器,具备一定的通用性。

关键词：反问题设计跨声速压气机优化设计三维黏性流载荷分布

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混流泵叶轮反问题设计与水力性能优化

农业机械学报 2014年第9期45卷 84-88页

作者：肖若富陶然王维维杨魏中国农业大学水利与土木工程学院北京100083

基于三维反问题设计方法,结合CFD数值模拟,以混流泵叶片载荷分布参数为设计变量,以水力效率为优化目标,采用正交试验方法和响应面函数法建立设计变量与目标函数的关系,对混流泵进一步优化。分析了不同设计变量对目标函数的影响,发现叶... 详细信息

基于三维反问题设计方法,结合CFD数值模拟,以混流泵叶片载荷分布参数为设计变量,以水力效率为优化目标,采用正交试验方法和响应面函数法建立设计变量与目标函数的关系,对混流泵进一步优化。分析了不同设计变量对目标函数的影响,发现叶轮轮盘进口处载荷对泵的水力效率影响最明显。通过数值模拟对比基准叶轮与优化叶轮性能,优化后的混流泵模型最优工况下的水力效率提高3.2%,且水泵扬程基本保持不变,优化体系具有良好的工程应用价值。

关键词：混流泵反问题设计正交试验响应面法计算流体动力学

环量分布对基于反问题设计的混流泵优化结果的影响

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农业工程学报 2021年第20期37卷 44-52页

作者：李彦军王梦成袁建平袁寿其郑云浩江苏大学国家水泵研究中心镇江212013

为定量研究叶轮出口环量分布对导叶式混流泵优化结果的影响,该研究在试验验证数值模拟准确性的基础上,以反问题设计为基础,结合最优拉丁超立方抽样法,径向基神经网络模型和多岛遗传算法,以0.8Q_(des)、1.0Q_(des)和1.2Q_(des)处泵段加... 详细信息

为定量研究叶轮出口环量分布对导叶式混流泵优化结果的影响,该研究在试验验证数值模拟准确性的基础上,以反问题设计为基础,结合最优拉丁超立方抽样法,径向基神经网络模型和多岛遗传算法,以0.8Q_(des)、1.0Q_(des)和1.2Q_(des)处泵段加权效率为优化目标(Q_(des)表示设计流量),以1.0Q_(des)处扬程变化小于3%为约束条件,在自由涡设计(叶轮出口环量恒定分布)和强迫涡设计(叶轮出口环量线性变化)两种不同方案下分别对比转速为511的导叶式混流泵叶轮进行参数化优化,并对优化结果进行对比分析。研究结果表明:以轮毂处环量值作为翼展方向环量分布控制参数,结合连续性方程、能量方程和径向平衡方程,对叶轮出口处环量分布进行计算是可行的;局部敏感性分析表明环量控制参数对优化结果具有较大影响,在优化设计中应该被考虑;自由涡设计优化结果的加权效率为84.14%,而在强迫涡设计中该加权效率为85.08%,且两者扬程均满足约束条件,内流分析表明强迫涡设计中效率的提升主要由叶轮出口附近流态的改善引起。研究结果可为同类型涡轮机械的优化设计提供参考。

关键词：优化设计混流泵叶轮反问题设计数值模拟水动力参数局部敏感性分析

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离心式叶轮三维反问题设计和数值计算

排灌机械工程学报 2012年第6期30卷 632-635页

作者：杨魏王福军王宏中国农业大学水利与土木工程学院北京100083 清华大学核能技术与新能源技术研究院北京100084

为解决离心式叶轮传统设计方法主要依赖于设计者经验以及设计周期较长等问题,采用三维反问题设计方法,根据给定的流场进行叶轮形状的设计,从而提高设计过程对叶轮性能的控制能力.三维反问题设计方法基于无黏有势流假设,将三维速度场分... 详细信息

为解决离心式叶轮传统设计方法主要依赖于设计者经验以及设计周期较长等问题,采用三维反问题设计方法,根据给定的流场进行叶轮形状的设计,从而提高设计过程对叶轮性能的控制能力.三维反问题设计方法基于无黏有势流假设,将三维速度场分解为周向平均速度和周期速度进行求解,实现了在二维轴面流道上叶片形状和流场的三维计算.三维叶片形状根据速度在叶片表面满足滑移条件计算得到,同时获得该叶轮形状下其内部三维流场的计算结果.采用自编三维反问题设计程序进行了离心式叶轮的设计计算,并利用三维定常湍流数值计算技术对设计结果进行了流场模拟和性能评价,流场的模拟结果与设计方法计算结果定性吻合,验证了设计方法的有效性.研究结果表明:将三维反问题设计方法和三维湍流数值计算技术结合可有效缩短设计周期,提高设计质量,并可用于各种叶轮机械的设计.

关键词：离心叶轮反问题设计性能预测湍流模拟

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可控扩散叶型全3维黏性反问题设计方法

航空发动机 2019年第1期45卷 6-11页

作者：李清华刘昭威南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国航发四川燃气涡轮研究院成都610500

为了快速有效地完成叶片造型,提高压气机气动性能,以全3维黏性反问题设计方法为基础,研究了全新的可控扩散叶型设计方法。基于黎曼不变量守恒建立了吸力和压力面型线与其对应静压分布之间的关系,通过给定叶片表面静压分布,求解吸力和压... 详细信息

为了快速有效地完成叶片造型,提高压气机气动性能,以全3维黏性反问题设计方法为基础,研究了全新的可控扩散叶型设计方法。基于黎曼不变量守恒建立了吸力和压力面型线与其对应静压分布之间的关系,通过给定叶片表面静压分布,求解吸力和压力面型线坐标几何参数。为了验证方法的有效性,以NASA Stage 35静子叶片为设计算例,通过全3维数值模拟得到其流场参数分布,进而采用可控扩散叶型的设计思路,对NASA Stage 35静子叶片表面的静压分布进行修改,以修改后的静压分布作为目标进行反问题设计计算,最终设计出满足设计要求的叶片几何型线。改型后的静子叶片通道内流场很好地实现了可控扩散叶型的流动结构,叶片总体气动性能得到提升,验证了可控扩散叶型全3维反问题设计方法的准确性和有效性。

关键词：可控扩散叶型压气机反问题设计计算流体力学气动性能航空发动机

超低水头轴流式水轮机反问题设计及水力特性研究

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武汉大学学报（工学版） 2017年第5期50卷 683-687页

作者：肖惠民武汉大学动力与机械学院湖北武汉430072 武汉大学水力机械过渡过程教育部重点实验室湖北武汉430072

基于准三维的反问题设计方法,设计了可用于低水头可再生能源开发的超低水头轴流式水轮机的导叶和转轮叶片.导叶为等厚叶片,转轮叶片采用空化性能良好的NACA 66(MOD)翼型.设计中根据给定的进出口边环量分布及叶片表面载荷分布,在满足无... 详细信息

基于准三维的反问题设计方法,设计了可用于低水头可再生能源开发的超低水头轴流式水轮机的导叶和转轮叶片.导叶为等厚叶片,转轮叶片采用空化性能良好的NACA 66(MOD)翼型.设计中根据给定的进出口边环量分布及叶片表面载荷分布,在满足无撞击进口水流条件下,计算、调整叶片剖面翼型的拱度和安放角.为了验证设计方法的有效性,还对该轴流式水轮机进行了全流道的三维定常湍流计算.计算结果表明:流道内水流流动平顺,水力损失小,最高效率可以达到92.16%,且在较宽的水头变幅内,水轮机均具有良好的水力性能.

关键词：轴流式水轮机反问题设计水力特性数值模拟

喷水推进泵S_2流面反问题设计及数值模拟分析

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水泵技术 2012年第6期 28-32页

作者：宋少雷舒春英海装沈阳局哈尔滨工程大学动力与能源工程学院

本文基于S_1、S_2流面设计理论,在给定轴面流道形状的基础上,求解了喷水推进泵初始轴面流线,给出了喷水推进泵的反问题设计方法,并编制了喷水推进泵反问题设计的Fortan程序。针对该程序设计的喷水推进泵,进行了三维流场数值模拟,讨论了... 详细信息

本文基于S_1、S_2流面设计理论,在给定轴面流道形状的基础上,求解了喷水推进泵初始轴面流线,给出了喷水推进泵的反问题设计方法,并编制了喷水推进泵反问题设计的Fortan程序。针对该程序设计的喷水推进泵,进行了三维流场数值模拟,讨论了速度矩分布对泵性能的影响。结果表明:采用三种速度矩分布方案所设计的叶轮中,第三种方案的抗汽蚀性能最好,效率较高,是比较理想的分布方式。

关键词：船用泵喷水推进泵反问题设计抗汽蚀能力数值分析

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压气机叶型反问题设计技术研究

压气机叶型反问题设计技术研究

作者：周亦成南京航空航天大学

学位级别：硕士

叶轮机械叶片设计中通常采用的方法有正问题设计方法和反问题设计方法。正问题设计中设计人员通过分析设计要求，选择性能相近的叶型作为初始叶型，通过CFD或试验方法分析初始叶型气动性能，如果其不满足设计要求，则根据相关经验或给... 详细信息

叶轮机械叶片设计中通常采用的方法有正问题设计方法和反问题设计方法。正问题设计中设计人员通过分析设计要求，选择性能相近的叶型作为初始叶型，通过CFD或试验方法分析初始叶型气动性能，如果其不满足设计要求，则根据相关经验或给定的优化准则反复修改叶型，直到其达到要求。正问题方法具有过程简单、易于实现等优点，但设计过程要耗费大量时间和成本。反问题设计中，设计人员根据设计要求给出流场中某些气动参数，通过气动参数与几何造型间的物理关系得到实现该流动特征的叶型。因此反问题设计的优势在于设计效率较高、对设计人员经验依赖较少。本文在冯卡门流体研究所（VKI）相关研究的基础上开展了叶片反问题设计方法的研究。全文研究内容主要包括以下几个方面：（1）构建了叶型无粘反问题设计流程，对其中的关键技术——基于特征变量边界理论的渗透边界、叶型修正技术进行了原理分析，并在课题组自主开发的计算流体力学软件NAPA中完成了渗透边界、叶型修正模块等无粘反问题设计组成部分的程序实现，从而实现了叶型反问题设计。（2）对以下3类9个具有不同流动特点的管道及叶栅算例进行了反问题设计：1）无转折的曲壁面通道，如bump管道，二维拉瓦尔喷管;2）模拟单叶栅通道流动的转弯扩张通道;3）双圆弧叶型构成的平面叶栅。分别在气流无转折及气流发生转折的亚声速流动、存在激波的跨声速流动中逐步验证该无粘反问题设计方法的准确性。（3）针对反问题设计方法实际使用时可能出现的目标流动与初始流动的流场结构间存在较大差异的情况，改进了渗透边界的处理方法，并在消除叶栅流动中槽道激波的反问题设计算例中进行了验证。（4）把无粘反问题设计方法推广到粘性流动中，构建了叶型粘性反问题设计流程。在双圆弧叶型的亚声速流动中进行了粘性反问题设计的验证。改进了粘性反问题设计过程中无粘目标压力分布的预估方法，使之适用于存在激波的流动，并在存在激波的叶栅流动中进行了验证。（5）针对NASALewis研究中心设计的一款两级风扇的第二级转子叶片叶中截面的叶型，应用本文构建的反问题设计技术进行了改进设计。改进后的叶型，在进口流动条件一致，保证叶型载荷不减小的前提下，流动损失减小。计算表明在来流马赫数1.02时，改进后的叶型其载荷较初始叶型提高2.2%，静压升系数提高9.4%，总压损失减小1.47%。

关键词：叶片设计反问题设计渗透边界叶型修正特征变量边界条件