Optimal design of impeller for centrifugal compressor under the influence of one-way fluid-structure interaction

In this study, a method for optimal design of impeller for centrifugal compressor under the influence of Fluid-structure interaction (FSI) and Response surface method (RSM) was studied. Numerical simulation was conducted using ANSYS Multi-physics with various configurations of impeller geometry. Each of the design parameters was divided into 3 levels. Total 45 design points were planned by Central composite design (CCD) method, which is one of the Design of experiment (DOE) techniques. Response surfaces generated based on the DOE results were used to find the optimal shape of impeller for high aerodynamic performance. The whole process of optimization was conducted using ANSYS Design xplorer (DX). Through the optimization, structural safety and aerodynamic performance of centrifugal compressor were improved.     

基于CFD的离心压缩机整级性能优化设计

本文采用CFD技术研究离心压缩机整级性能优化设计方法.首先用一元理论进行初始设计,应用全三维流场分析的方法分析叶轮、扩压器以及回流器叶片参数变化对压缩机性能的影响.在此基础上,对主要几何参数进行了优化设计.研究结果表明;通过在压缩机运行过程中调节扩压器叶片的角度,可以使压缩机的最大效率和工况范围均得到改善.对于本模型的压缩机,效率可提高3％以上.优化设计后压缩机整级气动性能得到明显改善.     

多级离心压缩机级间弯道与回流器内流动的数值研究

对某型多级离心压缩机的气动性能进行了CFD数值研究,计算方法基于Jameson格式,湍流模型选择BaldwinLomax模型.对弯道与回流器等多级压缩机级间的静止部件内的气动特点进行研究,旨在揭示气流经弯道与回流器后气动参数的变化特征.结果表明,不同位置的弯道对流动的影响是截然不同的.由于这些静止部件对流体的扰动,使次级动叶的进口来流工况点偏离设计值,易于造成对整机气动性能的下降.因此多级压缩机的动叶设计应对来流的不均匀性加以充分考虑.     

基于Kriging插值的失谐叶盘气动 结构耦合振动特性分析

以某型航空发动机压气机转子为研究对象,考虑叶盘间动静干涉的影响,对压气机叶盘转子内部的三维流场进行了模拟。通过静频试验引入叶片失谐量,基于Kriging模型完成了耦合界面载荷数据的传递,分析了压气机转子叶片表面非定常气动载荷的分布规律,并讨论了失谐和气动载荷对压气机转子叶盘系统振动特性的影响。结果表明：压气机叶片受到的气动载荷为非定常脉动压力,主导频率为动静干涉频率f0的倍频;在干涉周期T内,压力面和吸力面气动载荷的变化呈相反趋势,且压力面气动载荷的非定常性明显大于吸力面气动载荷的非定常性;失谐和气动载荷的作用加剧了叶盘系统的振动。研究结果为压气机叶盘转子系统的动力学设计提供了理论依据。     

离心压气机叶片扩压器多点气动优化设计

在级环境下采用遗传算法和人工神经网络对高压比离心压气机叶片扩压器叶片几何型线进行了多点气动优化设计。根据优化前后的计算结果,对优化前后叶片扩压器内部的流动特征进行了对比分析。优化结果表明,采用多点优化设计可以有效提高离心压气机的气动性能。     

基于数值优化方法的轴流压气机叶片设计与分析

基于商业软件NUMECA的叶轮机械全三维优化设计平台Design3D,采用三维N-S方程流场计算、网格自动生成、三维叶片参数化造型与遗传算法寻优相结合的方法,对一跨音速轴流压气机叶轮进行了三维叶片型线优化设计.优化目标是在流量、总压比不减小的情况下,降低总压损失,以提高其整体效率.优化叶片与原叶片相比,总压损失显著降低,等熵效率提高了1.285%,同时总压比和流量也都得到了提高.通过流场分析,可以看出优化叶片性能的提高主要是源于中上部叶展区域的总压损失的减小,而总压损失的减小则主要归功于分离区的减小和激波的削弱.     

多级离心压缩机无叶扩压器内气动性能的数值研究

对某多级离心压缩机的气动性能进行了整级CFD数值模拟,重点研究并比较了级间与级后无叶扩压器内的气动特点。计算方法基于Jameson格式,湍流模型选择Spalart-Allmaras模型。结果表明,在多级离心压缩机中,无叶扩压器的性能对整个机组的总体性能影响很大。级间与级后无叶扩压器内的能量损失都很高,但后者以摩擦损失为主,而前者由于受其下游弯道的影响,流动发生分离,因而其能量损失来源于摩擦与分离的共同作用。     

车用涡轮增压器叶轮破裂转速的弹塑性数值分析

基于ANSYS有限元分析软件,对车用涡轮增压器涡轮叶轮和压气机叶轮进行了材料非线性弹塑性有限元数值分析,计算了涡轮叶轮和压气机叶轮在离心载荷作用下的破裂转速,并与试验结果进行了对比。结果分析表明,建立在弹性基础上的叶轮破裂转速预估方法不够准确。考虑材料非线性的弹塑性计算更接近实际结果,可以应用于叶轮的强度校核和结构优化。破裂转速的计算结果表明,涡轮叶轮的强度储备大大高于压气机叶轮的强度储备,对其进行结构减重设计或优化十分必要。     

基于近似模型的高速列车头型多目标优化设计

为改善高速列车气动性能,建立一套高效的多目标气动优化设计方法,对流线型头型进行多目标气动优化设计。建立高速列车流线型头型三维参数化模型,并提取5个优化设计变量;为减少优化设计时间,利用最优拉丁超立方设计方法在优化设计空间中进行均匀采样,利用计算流体力学方法获得对应于各个采样点的气动载荷,利用Kriging代理模型构建优化设计变量和气动载荷之间的近似模型;利用多体系统动力学方法计算气动载荷作用下的高速列车轮重减载率;以气动阻力和轮重减载率为优化目标,利用多目标遗传算法NSGA-II对高速列车流线型头型进行多目标优化。优化设计变量和优化目标均呈现收敛的趋势,采用Kriging近似模型优化计算的Pareto前沿与采用CFD（Computational fluid dynamics,CFD）优化计算的Pareto前沿较为接近。优化后高速列车的气动阻力最多可降低3.27%,轮重减载率最多可降低1.44%,气动阻力最优的头型与轮重减载率最优的头型的主要差异在于中部辅助控制线的变化,前者向内凹,后者则向外凸。     

位置度超差对轴流压气机流场性能影响的数值研究

以单级轴流压气机为研究对象,采用数值计算方法研究了叶片位置度超差对压气机流场性能的影响。计算结果表明,当叶片位置度发生变化时,压气机的等熵效率、总压比等气动参数都不同程度地呈现恶化趋势,并且轴向位置度的影响大于周向位置度;叶片周向及轴向位置度的变化对压气机叶片气动载荷和进口攻角的影响规律各不相同。     

水平轴风力机叶片气动性能计算及影响因素分析

叶片作为风电机组的关键部件之一,其设计和可靠性直接关系到风力发电机组的安全运行,而气动性能的好坏将会直接影响到叶片外形设计及机组效率。因此,对叶片进行气动性能计算和数值模拟成为必要。根据动量叶素理论建立风力机叶片气动计算模型,考虑到叶尖损失,叶根损失,叶片宽度和厚度等因素的影响对该模型进行修正。用MATLAB语言编制计算程序,针对某一具体翼型数据进行了气动性能的计算,分析了风轮实度、安装角、锥角以及偏航等因素对叶片气动性能的影响。     

Enhancement of wind turbine aerodynamic performance by a numerical optimization technique

Sectional aerodynamic design optimization was performed to enhance the aerodynamic performance of horizontal axis wind turbine rotor blades based on a computational fluid dynamics technique. The proposed sectional optimization framework consists of airfoil section contour modeling by the PARSEC shape function and a modified feasible direction search algorithm. To enhance the aerodynamic performance of wind turbine rotor blades, the objective of the design framework was set to maximize the lift-over-drag ratio for each design section. A two-dimensional Navier-Stokes flow solver coupled with a transition turbulence model was used to evaluate the aerodynamic performance during the iterative design optimization procedure. The sectional flow conditions were extracted from the flow of a three-dimensional rotor blade configuration. The design framework was applied to the National Renewable Energy Laboratory Phase VI rotor blade. The design optimization was conducted at nine spanwise sections of the rotor blade. To validate the present methodology, the aerodynamic performances of the original baseline rotor and the rotor after the design optimization were compared by using a three-dimensional Navier-Stokes flow solver. It was found that approximately 11% of torque enhancement was achieved after the aerodynamic shape design optimization.     

压缩机叶轮的逆向造型及流场数值模拟

介绍了叶轮的逆向造型和内部流场的数值模拟,应用逆向造型技术对整体压缩机叶轮实现快速三维建模,再对其进行内部流场数值模拟,研究分析叶轮叶片表面的流场、压力分布及湍流等重要的流动现象,以分析检验该叶轮的动力性能,为叶轮的动力性能检测提供了又一种快捷的方法,也为探索压缩机叶型优化设计和进一步改进提供了有价值的物理信息.     

叶顶间隙形态对离心压缩机整级气动性能的影响

对某离心压缩机模型级6种不同的叶顶间隙形态的流场进行了数值模拟,分析了叶顶间隙形态对离心压缩机模型级整级气动性能的影响,详细分析了不同间隙形态内部的流动结构。研究结果表明:由于叶顶间隙的存在,在整个工况范围内级压比,多变效率,能量头相比无间隙时都有较大幅度下降,特别在大流量区下降更加明显,而且不同的间隙形态对级性能的影响也不同,与无间隙相比间隙1在设计工况点压比下降1.77%,多变效率下降0.65%,能量头下降3.08%,间隙4在设计工况点压比下降4.38%,多变效率下降2.41%,能量头下降7.08%,而间隙2,3,5,6的间隙值在间隙1和间隙4之间,其整级气动性能也介于间隙1和间隙4之间,其中间隙3和间隙5的整级气动性能要优于间隙2和间隙6。     

正冲角下高负荷吸附式压气机叶栅数值研究

数值研究低速条件下边界层吸除对某高负荷压气机叶栅气动性能的影响.对该高负荷压气机叶栅原型进行数值研究,通过与前期试验数据的对比,校核商业计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)计算代码的可靠性.结果表明,计算得到的性能曲线与试验数据有较好的一致性,所应用的数值模拟手段是可行的;分...     

Adaptive flow optimization of a turbocharger compressor to improve engine low speed performance

To improve the engine overall performance, an adaptive flow optimization procedure is proposed in this paper to synthesize turbocharger compressor optimum designs. Two objective functions are involved in the adaptive optimization. They are the traditional compressor design and the compressor design with consideration of improving engine overall performance. The two-step decomposition approach is chosen to generate optimum designs. The optimized designs not only satisfy turbomachinery and engine constraints but also have optimum objective function values in the two fields. Performance sensitivity analysis of compressor main design variables is performed for the flow optimization design process. A centrifugal compressor is redesigned for a turbocharged gasoline engine, as an example, based on the adaptive flow optimization process. The calculating results show a more than 5% increase of isentropic efficiency in comparison with the base line compressor, resulting in a more than 19% increase of engine torque at low speed conditions.     

自循环机匣处理喷气位置对压气机性能的影响

为了揭示自循环机匣处理对Stage 37气动性能的影响机理，利用数值模拟方法研究了不同喷气位置对压气机气动性能的影响。在设计转速时，分析了不同喷气位置的自循环机匣处理装置的叶尖流场，探讨了自循环机匣处理的扩稳机理。数值模拟结果显示：不同喷气位置的自循环机匣处理在略微降低压气机效率的情况下，能够分别扩大2.96%，2.72%，2.83%，2.6%的失速裕度；设计转速时，Stage 37中转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡相互干涉以及泄漏涡破裂后产生的阻塞区，是影响Stage 37压气机内部流动失稳的关键因素。自循环机匣处理的扩稳机制主要在于利用高速喷气抑制叶尖泄漏涡的破碎程度，减小叶尖阻塞区面积，进而提高压气机的失速裕度。     

来流附面层对吸附式压气机叶栅影响的数值研究

数值研究低速条件下来流附面层特性对吸附式压气机叶栅气动性能的影响,在不同正冲角时,设计不同方案的附面层厚度分布,对比分析叶栅出口气动参数的分布以及叶栅内的三维流场结构,讨论不同来流附面层情况下在压气机叶栅中采用附面层吸除的效果。结果表明,数值模拟结果与试验数据有较好的一致性;附面层厚度的增加导致角区流动三维性增强,且变冲角性能下降,二次流横向作用和角区范围的增加使得附面层抽吸效果减弱;当来流附面层厚度增加时,通过增加抽吸量可以有效降低强吸附式压气机叶栅的损失,变冲角性能得到改善。     

十级高压压气机气动方案设计的优化

对HARIKA程序进行改进,创新性地修正了效率模型并引入Koch失速静压升系数模型,采用E3十级高压压气机气动特性试验数据验证此改进HARIKA程序,结果表明改进HARIKA程序对压气机100%转速失速边界的预估精度达到了99%。采用NSGA-II多目标遗传算法进行气动方案设计优化,优化后的方案与初始方案相比设计点的总效率提高了3.4%,喘振裕度提高了6%;通过调节进口导叶和前五级静子叶片的安装角,使得优化方案在非设计转速下的特性也得到了提高。     

进口轮毂比d=0.45的轴流式双级压气机试验研究

为了验证进口轮毂比d=0.45轴流式双级压气机气动性能和掌握压气机性能试验技术,本文进行了上述压气机的性能试验,测得了相对换算转速n(пр)＝0.546、0.766、0.876、1.00下压气机的特性,同时对低转速范围内压气机的喘振现象进行了观察。试验结果表明：试验所得增压比特性与理论计算十分接近,平均半径处速度三角形与设计的基本重合,只是试验的压气机效率,由于温度场的不均及用温升计算,相差较大。