CN102587998A - 一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法。首先，确定凹槽起始点初始位置、凹槽在叶片吸力面型线上的初始投影长度和描述凹槽曲线的初始函数方程；其次采用遗传算法对凹槽进行优化，以凹槽起始点位置，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度和描述凹槽曲线的函数方程作为优化变量，以叶栅通道的静压升、总压恢复系数、总压系数和气流转折角作为遗传算法中适应度函数的变量，以使适应度函数达到最大值的优化变量组合作为凹槽的造型参数。本发明可以明显的改善叶栅通道内的流动情况，减小甚至消除通道内的气流分离区，提高通道的效率和总压恢复系数，降低通道的损失系数，改善基元叶型的大攻角特性，扩大基元叶型的可用攻角范围。
Description
技术领域
本发明涉及叶轮机械领域，具体为一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法。
背景技术
当今社会，叶轮机械日益在国防科技领域中发挥着重要的作用，它是航空、航天、航海、能源、化工等领域的重要部件。叶片是叶轮机械的重要组成部分，叶轮机械主要通过叶片来实现对外界介质地做功。因此，叶片的做功能力决定了叶轮机械的效率。提高叶片的做功能力符合当今社会节能减排的主题，对于缓解能源危机、实行可持续发展战略具有重大意义。
随着压气机、涡轮做功能力的不断提高以及对发动机稳定工作欲度要求的不断提升，叶片吸力面气流受到逆压梯度和大攻角进气条件的共同作用，其附面层气流具有较强的分离趋势。因而，近些年来，围绕着叶片附面层流动控制，人们进行了大量的研究。其中在叶片表面附面层转捩控制中，提到了球窝、凹槽等壁面凹陷处理技术。
合理的型面凹槽设计可以降低叶型吸力面上气流的分离程度、减小气流的能量损失，改善叶栅通道内的流动阻塞状况，扩大基元叶型的可用攻角范围，从而达到扩大叶片稳定工作范围，提高叶片效率和压比的目的。由于在航空发动机或者其他叶轮机械中，叶片所占的重量比重较大。型面凹槽的存在客观上实现了对叶轮机械的减重，对于提高航空发动机的推重比、降低燃油消耗率有重要意义。在文献Robarge T W，StarkA M，Min S K，et al.Design consideration for using indented surface treatment to controlboundary layer separation[R].AIAA-2004-425，2004中，Robarge等人归纳总结了壁面凹陷的最佳几何参数范围，凹陷处理的最佳深度以及最佳深宽比，并且对NACA0015叶型表面施加了二维形式的展向凹槽处理，验证了基于表面凹槽处理的被动控制策略的控制效果以及相关设计参数的最优化。但是Robarge等人提出的壁面凹陷处理位于叶型吸力面层流分离点之前，通过壁面凹槽改变附面层的转捩点，进而缩短了层流附面层从分离到再附着之间的区域，达到减小附面层分离区的目的。随着叶型攻角变大，当整个吸力面几乎全部为湍流流动时，这种处理技术就没有任何抑制附面层分离的效果了。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术中存在的问题，克服现有叶片壁面凹槽处理的局限性，本发明提出了一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：确定凹槽起始点初始位置、凹槽在叶片吸力面型线上的初始投影长度和描述凹槽曲线的初始函数方程；所述凹槽起始点初始位置处于分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围内，所述分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围为吸力面上附面层分离点后的一段区域，该段区域的型线长度不超过原始叶片吸力面型线长度的40％；所述凹槽在原始叶片吸力面型线上的初始投影长度不超过原始叶片吸力面型线长度的20％；初始凹槽曲线由任意函数形式的单段或多段的曲线或折线组成，且要求凹槽曲线只在两端端点处与叶片吸力面型线光滑连接，连接处一阶导数连续；
步骤2：采用遗传算法对凹槽进行优化，以凹槽起始点位置，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度和描述凹槽曲线的函数方程作为优化变量，凹槽起始点位置的变化范围为分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度的变化范围为原始叶片吸力面型线长度的20％，描述凹槽曲线的函数方程的边界条件为凹槽曲线只在两端端点处与叶片吸力面型线光滑连接，连接处一阶导数连续；计算叶栅通道的流场特性，以叶栅通道的静压升、总压恢复系数、总压系数和气流转折角四个参数中的一个以上参数作为遗传算法中适应度函数的变量，以使适应度函数达到最大值的优化变量组合作为凹槽的造型参数。
有益效果
本发明通过在叶片基元叶型的吸力面上进行型面凹槽处理，可以明显的改善叶栅通道内的流动情况，减小甚至消除通道内的气流分离区，提高通道的效率和总压恢复系数，降低通道的损失系数，改善基元叶型的大攻角特性，扩大基元叶型的可用攻角范围。同时，与原始叶型相比，凹槽设计可以减轻叶片的重量。也间接的提高了发动机推重比，降低了燃油消耗率。
附图说明
图1是一种原始基元叶型图；
图2是一种凹槽处理后的基元叶型图；
图3是吸力面型面凹槽的局部放大图；
图4是基元叶型叶栅通道图；
图5是叶栅通道流线图；
图6是实施例1的原始基元叶型示意图；
图7是实施例1的原始基元叶型叶栅通道流线图；
图8是实施例1的最优凹槽设计方案；
图9是实施例1中最优凹槽内部涡结构。
其中：1、叶片吸力面；2、叶片压力面；3、型面控制点；4、凹槽；5、气流分离区；6、分离区发展阶段。A、B、C、D为抛物线端点；E为抛物线控制点。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
实施例1：
本实施例以某叶栅基元叶型(如附图5所示)为设计对象。该基元叶型的设计进口马赫数为0.7，临界攻角为8°。要在原始基元叶型的叶片吸力面1上进行凹槽4的设计，首先需要确定凹槽起始点初始位置、凹槽在叶片吸力面型线上的初始投影长度和描述凹槽曲线的初始函数方程。
要确定凹槽起始点初始位置，需要对原始基元叶型叶栅通道流场进行计算分析。将凹槽起始点初始位置选在分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围内，所述分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围为吸力面上附面层分离点后的一段区域，该段区域的型线长度不超过原始叶片吸力面型线长度的40％。通过CFD软件计算得到本实施例中基元叶型叶栅通道的流线图如图6所示，从图中可知，本实施例中附面层分离区存在于整个基元叶型的吸力面上，因此凹槽4的起始位置A选择在吸力面型线的前40％内。
凹槽4在原始叶片吸力面型线上的初始投影长度不超过原始叶片吸力面型线长度的20％。
本实施例中，初始凹槽曲线由三段抛物线AB、BC、CD组成。曲线AB与吸力面在A点处连接且一阶导数连续；曲线CD与吸力面在D点处连且一阶导数连续；曲线BC分别与曲线AB、BC相连，且在连接点B、C处一阶导数连续；曲线BC经过控制点E。BC段抛物线控制点E的横坐标包含在点A、D的横坐标范围之内；E点到原始基元叶型吸力面1的垂直距离为点A、D处基元叶型厚度算术平均值的0～0.5倍之间。
上述过程确定了凹槽设计的初始参数值，为了得到此范围内最优的型面凹槽设计，需要采用遗传算法进行寻优计算来确定设计参数。遗传算法中，采用凹槽起始点位置A，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度和描述凹槽曲线的函数方程作为优化变量，本实施例中，可将描述凹槽曲线的函数方程化简为BC段抛物线控制点E的位置。而优化变量的边界条件为：凹槽起始点位置的变化范围为分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度的变化范围为原始叶片吸力面型线长度的20％，描述凹槽曲线的函数方程的边界条件为凹槽曲线只在两端端点处与叶片吸力面型线光滑连接，连接处一阶导数连续。
利用S1流场求解器计算优化过程中，不同凹槽情况下叶栅通道的流场特性，以叶栅通道的静压升、总压恢复系数、总压系数和气流转折角四个参数中的一个以上参数作为遗传算法中适应度函数的变量，设置种群数为50～200、遗传代数为50～500、交叉概率为0.5～0.9、变异概率为0.01～0.1，进过遗传进化后，得到使适应度函数达到最大值的优化变量组合作为凹槽的造型参数。其中，
为叶栅通道进口总压，
为叶栅通道出口总压，P2为叶栅通道出口静压。、
本实施例中，采用了串行运算的TSGA遗传算法，选择策略采用轮盘赌模型，交叉概率为0.7，变异概率为0.06，种群数为100，遗传代数为150。
为实现叶型的高静压升、低损失性能，适应度函数Fitness采用叶栅通道总压恢复系数、静压升以及总压系数的函数。
Fitness＝0.5×总压恢复系数+0.2×静压升+0.3×总压系数。
通过遗传算法优化得到的最大适应度为0.76646，所对应的凹槽形状如图7所示。
采用此凹槽设计后，叶栅通道的流线图如图8所示。与图6对比可知叶栅通道内的气流分离区域明显减小，大漩涡结构基本消失，凹槽内部的涡结构如图9所示。叶栅通道内的流动情况得到了很大的改善。叶栅通道内的总压恢复系数由0.92809提高到0.93467，静压升变化不大，总压系数由0.68501提高到0.71384。
实施例2：
本实施例以某叶栅基元叶型为设计对象。该基元叶型的设计进口马赫数为0.5，临界攻角为8°。要在原始基元叶型的叶片吸力面上进行凹槽的设计，首先需要确定凹槽起始点初始位置、凹槽在叶片吸力面型线上的初始投影长度和描述凹槽曲线的初始函数方程。
要确定凹槽起始点初始位置，需要对原始基元叶型叶栅通道流场进行计算分析。将凹槽起始点初始位置选在分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围内，所述分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围为吸力面上附面层分离点后的一段区域，该段区域的型线长度不超过原始叶片吸力面型线长度的40％。通过CFD软件计算得到本实施例中基元叶型叶栅通道内的速度矢量图，从图中可知，本实施例中附面层分离区始于基元叶型吸力面的20％处，因此凹槽的起始位置选择在吸力面型线的20％～60％内。
凹槽在原始叶片吸力面型线上的初始投影长度不超过原始叶片吸力面型线长度的20％。
本实施例中，初始凹槽曲线由三段抛物线AB、BC、CD组成。曲线AB与吸力面在A点处连接且一阶导数连续；曲线CD与吸力面在D点处连且一阶导数连续；曲线BC分别与曲线AB、BC相连，且在连接点B、C处一阶导数连续；曲线BC经过控制点E。BC段抛物线控制点E的横坐标包含在点A、D的横坐标范围之内；E点到原始基元叶型吸力面1的垂直距离为点A、D处基元叶型厚度算术平均值的0～0.5倍之间。
上述过程确定了凹槽设计的初始参数值，为了得到此范围内最优的型面凹槽设计，需要采用遗传算法进行寻优计算来确定设计参数。遗传算法中，采用凹槽起始点位置A，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度和描述凹槽曲线的函数方程作为优化变量，本实施例中，可将描述凹槽曲线的函数方程化简为BC段抛物线控制点E的位置。而优化变量的边界条件为：凹槽起始点位置的变化范围为分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度的变化范围为原始叶片吸力面型线长度的20％，描述凹槽曲线的函数方程的边界条件为凹槽曲线只在两端端点处与叶片吸力面型线光滑连接，连接处一阶导数连续。
利用S1流场求解器计算优化过程中，不同凹槽情况下叶栅通道的流场特性，以叶栅通道的静压升、总压恢复系数、总压系数和气流转折角四个参数中的一个以上参数作为遗传算法中适应度函数的变量，设置种群数为50～200、遗传代数为50～500、交叉概率为0.5～0.9、变异概率为0.01～0.1，进过遗传进化后，得到使适应度函数达到最大值的优化变量组合作为凹槽的造型参数。其中，
为叶栅通道进口总压，
为叶栅通道出口总压，P2为叶栅通道出口静压。、
本实施例中，采用了串行运算的TSGA遗传算法，选择策略采用轮盘赌模型，交叉概率为0.5，变异概率为0.02，种群数为60，遗传代数为70。
为实现叶型的大气流转角、低损失性能，适应度函数Fitness为叶栅通道总压恢复系数、气流转折角以及总压系数的函数。
Fitness＝0.35×总压恢复系数+0.01×气流转折角+0.25×总压系数。
通过遗传算法优化得到的最大适应度为1.06287。
采用此凹槽设计后，叶栅通道内的气流分离区域明显减小，大漩涡结构基本消失，凹槽内部有漩涡结构存在。叶栅通道内的流动情况得到了很大的改善。叶栅通道内的总压恢复系数由0.96847提高到0.97312，气流转折角由51.3°提高到52.1°，总压系数由0.77138提高到0.8051。
实施例3：
本实施例以某叶栅基元叶型为设计对象。该基元叶型的设计进口马赫数为0.6，临界攻角为7°。要在原始基元叶型的叶片吸力面上进行凹槽的设计，首先需要确定凹槽起始点初始位置、凹槽在叶片吸力面型线上的初始投影长度和描述凹槽曲线的初始函数方程。
要确定凹槽起始点初始位置，需要对原始基元叶型叶栅通道流场进行计算分析。将凹槽起始点初始位置选在分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围内，所述分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围为吸力面上附面层分离点后的一段区域，该段区域的型线长度不超过原始叶片吸力面型线长度的40％。通过CFD软件计算得到本实施例中基元叶型叶栅通道内的速度矢量图，从图中可知，本实施例中附面层分离区始于基元叶型吸力面的15％处，因此凹槽的起始位置选择在吸力面型线的15％～55％内。
凹槽在原始叶片吸力面型线上的初始投影长度不超过原始叶片吸力面型线长度的20％。
本实施例中，初始凹槽曲线由三段抛物线AB、BC、CD组成。曲线AB与吸力面在A点处连接且一阶导数连续；曲线CD与吸力面在D点处连且一阶导数连续；曲线BC分别与曲线AB、BC相连，且在连接点B、C处一阶导数连续；曲线BC经过控制点E。BC段抛物线控制点E的横坐标包含在点A、D的横坐标范围之内；E点到原始基元叶型吸力面1的垂直距离为点A、D处基元叶型厚度算术平均值的0～0.5倍之间。
上述过程确定了凹槽设计的初始参数值，为了得到此范围内最优的型面凹槽设计，需要采用遗传算法进行寻优计算来确定设计参数。遗传算法中，采用凹槽起始点位置A，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度和描述凹槽曲线的函数方程作为优化变量，本实施例中，可将描述凹槽曲线的函数方程化简为BC段抛物线控制点E的位置。而优化变量的边界条件为：凹槽起始点位置的变化范围为分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度的变化范围为原始叶片吸力面型线长度的20％，描述凹槽曲线的函数方程的边界条件为凹槽曲线只在两端端点处与叶片吸力面型线光滑连接，连接处一阶导数连续。
利用S1流场求解器计算优化过程中，不同凹槽情况下叶栅通道的流场特性，以叶栅通道的静压升、总压恢复系数、总压系数和气流转折角四个参数中的一个以上参数作为遗传算法中适应度函数的变量，设置种群数为50～200、遗传代数为50～500、交叉概率为0.5～0.9、变异概率为0.01～0.1，进过遗传进化后，得到使适应度函数达到最大值的优化变量组合作为凹槽的造型参数。其中， 
为叶栅通道进口总压，
为叶栅通道出口总压，P2为叶栅通道出口静压。、
本实施例中，采用了串行运算的TSGA遗传算法，选择策略采用轮盘赌模型，交叉概率为0.8，变异概率为0.09，种群数为200，遗传代数为500。
为实现叶型的低损失性能，适应度函数Fitness为叶栅通道总压恢复系数和总压系数的函数。
Fitness＝0.55×总压恢复系数+0.45×总压系数。
通过遗传算法优化得到的最大适应度为0.86546。
采用此凹槽设计后，叶栅通道内的气流分离区域明显减小，大漩涡结构基本消失，凹槽内部有漩涡结构存在。叶栅通道内的流动情况得到了很大的改善。叶栅通道内的总压恢复系数由0.94527提高到0.95106，总压系数由0.73254提高到0.76084。
Claims (1)
1.一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：确定凹槽起始点初始位置、凹槽在叶片吸力面型线上的初始投影长度和描述凹槽曲线的初始函数方程；所述凹槽起始点初始位置处于分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围内，所述分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围为吸力面上附面层分离点后的一段区域，该段区域的型线长度不超过原始叶片吸力面型线长度的40％；所述凹槽在原始叶片吸力面型线上的初始投影长度不超过原始叶片吸力面型线长度的20％；初始凹槽曲线由任意函数形式的单段或多段的曲线或折线组成，且要求凹槽曲线只在两端端点处与叶片吸力面型线光滑连接，连接处一阶导数连续；
步骤2：采用遗传算法对凹槽进行优化，以凹槽起始点位置，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度和描述凹槽曲线的函数方程作为优化变量，凹槽起始点位置的变化范围为分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度的变化范围为原始叶片吸力面型线长度的20％，描述凹槽曲线的函数方程的边界条件为凹槽曲线只在两端端点处与叶片吸力面型线光滑连接，连接处一阶导数连续；计算叶栅通道的流场特性，以叶栅通道的静压升、总压恢复系数、总压系数和气流转折角四个参数中的一个以上参数作为遗传算法中适应度函数的变量，得到使适应度函数达到最大值的优化变量组合作为凹槽的造型参数。
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