CN107563074A - 一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法与优化平台 - Google Patents
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Abstract
一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法与优化平台。首先将轴流风扇轮毂、机匣的原始设计进行参数化；提取控制点参数的数据信息，并采用立方样条函数进行关联；执行shell脚本程序；产生新的控制参数与端壁型线方案样本；将新的控制参数与端壁型线方案样本作为准三维S2流面计算程序所需的输入数据，进行风扇/压气机准三维S2流面计算；获得对应新的端壁型线样本的所有目标函数值，并对目标函数值进行全局寻优，获得最优的端壁型线结构。本发明用于航空发动机的风扇/压气机以及其它叶轮机械(如轴/径流涡轮、轴/径流泵/压气机、轴/径流风机等)的端壁型线优化设计理论研究以及产品研制。
Description
技术领域：
本发明涉及一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法与优化平台。
背景技术：
航空发动机作为现代工业领域中技术含量高，能量密度大的高科技产品之 一。因此，它被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，既是飞机的心脏与国家的战 略装备，又是衡量一个国家工业基础、科技工业实力、军事装备水平与综合国 力的重要标志。其性能的提高一直是该技术领域的重要研究课题。为此，在各 主要发达国家的重大科技研究计划中从未缺席，并列为关键的发展目标。如由 美国国家航空航天局(NASA)、海、陆、空军共同发起的综合高性能涡轮发 动机技术(IHPTET)计划及其后续多用途、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划，俄罗斯的涡轮发动机试验技术(CT3)计划等，为各种先进 的军/民用航空动力系统的研制提供了坚实的技术基础。
风扇/压气机作为航空推进系统的核心气动部件之一，在结构强度、材料 工艺以及结构紧凑性的约束前提下，通过部件匹配流动的相互作用、拓展压缩 系统关键性能参数的潜力，进而协调流量、压比、效率和失速裕度之间的矛盾， 是现代风扇/压气机气动性能发展追求的目标。推重比15～20量级或更高推重 比的涡扇发动机关键技术之一就是提高压缩系统的级气动负荷水平和效率，从 而达到减少风扇/压气机级数、提高发动机推重比并降低油耗的目的。因此， 风扇/压气机的设计技术的研发始终是现代航空发动机技术发展的重要环节。
然而，随着风扇/压气机级气动负荷水平的日益提高，其通流部分的逆压 流动环境也愈加复杂，制约压缩系统性能提高的端区附面层易于诱发大尺度分 离流动，风扇/压气机中压比、流量、效率以及失速裕度四大气动参数之间的 固有矛盾越加尖锐。为了缓解这一矛盾，高性能风扇/压气机无一例外地采用 了以弯掠为主要特征的叶片通道形式，其目的主要是抑制端区二次流动的发 展。端壁型线设计技术作为一种有效控制风扇/压气机端区附面层内二次流动、 通流部分流管收缩效应、传递加功量以平衡展向气动负荷以及拓展失速裕度的 有效技术手段，具有较大的气动性能提高潜力有待进一步发掘，逐渐发展成为 压缩系统通流部分流动控制技术研究的一个重要方向。
综上所述，端壁型线设计对风扇/压气机端区二次流动以及扩压通道三维 整流等综合气动性能的重要影响。
发明内容：
本发明的目的是提供一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法与优化平 台，该方法针对轴流风扇/压气机端壁型线的初始设计数据进行参数化分析， 通过将立方样条函数与端壁(轮毂/机匣)型线的控制点参数进行关联；应用 所开发端壁型线优化设计平台对端壁型线的控制点参数进行全局寻优，获得最 优的机匣/轮毂几何型线设计参数；最后，通过立方样条函数与最优设计参数 的关系获得最优的端壁(轮毂/机匣)型线结构。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，建立一种基于准三维系统的 风扇/压气机端壁型线优化设计方法，并整合为相应的优化设计平台，准三维 优化设计方法包括以下步骤：
步骤一：首先将轴流风扇/压气机轮毂、机匣的原始设计进行参数化；
步骤二：提取控制点参数的数据信息，并采用立方样条函数进行关联；
步骤三：执行shell脚本程序；
步骤四：产生新的控制参数与端壁型线方案样本；
步骤五：新的控制参数与端壁型线方案样本作为准三维S2流面计算程序 所需的输入数据，进行风扇/压气机准三维S2流面计算；
步骤六：获得对应新的端壁型线样本的目标函数值；
步骤七：针对准三维S2流面计算得到所有方案样本的目标函数值，采用 遗传算法进行全局寻优，遴选出最优的端壁型线设计参数与端壁轮毂/机匣型 线结构。
所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法的优化平台，其端壁的 优化设计平台包括以下步骤：
步骤一：用户在template文件定义优化参数变量名称及其在文件中的位 置；
步骤二：优化算法选取及参数设置、设定优化变量范围、目标函数以及优 化约束；
步骤三：承接步骤一执行DPrePro程序，给template文件输入不同的变量 值；
步骤四：输入Prcontrol.dat文件，样本参数文件；
步骤五：执行立方样条函数程序，根据控制点与立方样条函数计算端壁曲 线；
步骤六：准三维S2输入文件，与风扇/压气机叶片设计相关的几何与气动 参数文件：*.tstk，*.bgp；
步骤七：承接步骤五与步骤六运行准三维S2程序，将新的端壁型线数据 作为准三维程序的输入文件，运行准三维程序，获得新的目标函数值输入文件 *.twal；
步骤八：Output bladedata*.dat，在bladedata*.dat文件里查找目标函数值， 并将其输入至优化模块；
步骤九：执行遗传算法程序，针对计算样本方案的目标函数进行寻优；
步骤十：如果寻优成功，进行最优端壁型线，输出端壁型线设计参数及型 线数据；如果寻优失败执行遗传算法程序，繁衍下一代个体后返回步骤三。
所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，先对轮毂型线单独进 行优化设计，然后在此基础上对机匣型线进行优化设计，具体步骤如下：
步骤S101：原型风扇/压气机轮毂型线数据的参数化分析与处理。即基于 风扇/压气机轮毂原始设计数据，提取相应的控制点数据信息，通过控制点的 信息与立方样条函数来表达轮毂型线的几何特征；
步骤S102：建立轮毂型线优化设计的数学模型；
步骤S103：执行优化平台，进行轮毂型线的优化设计；
步骤S104：采用叶轮机械数值仿真商业软件Numeca，将准三维优化设计 获得的最优轮毂型线设计方案，在全三维粘性流环境中验证其可靠性与正确 性。
所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，根据步骤S103：执行 优化平台，进行轮毂型线的优化设计，具体执行方法如下：
步骤S201：用户在用户定义模块给出优化设计变量/参数的数目与取值范 围、目标函数、约束条件、寻优方法以及准三维计算的输入文件；
步骤S202：根据优化设计变量/参数的数目与取值范围，优化平台执行 Linux系统下的shell脚本文件，产生新的方案样本；
步骤S203：优化平台执行Linux系统下的shell脚本程序。通过新方案样 本的控制点参数信息与立方样条函数的关系获得新的轮毂/机匣的坐标值，将 其作为准三维S2流面计算所需的输入参数，并进行风扇/压气机的准三维S2流面计算，获得对应新轮毂型线的目标函数值；
步骤S204：针对准三维S2流面计算得到方案样本的目标函数值，采用遗 传算法进行全局寻优，获得最优端壁型线的设计参数与端壁轮毂型线结构。
所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，最优轮毂型线设计方 案的基础上进行机匣型线的优化设计，具体步骤如下：
步骤S301：用户在用户定义模块给出优化设计变量/参数的数目与取值范 围、目标函数、约束条件、寻优方法以及准三维计算的输入文件；
步骤S302：根据优化设计变量/参数的数目与取值范围，优化平台执行 Linux系统下的shell脚本文件，产生新的方案样本；
步骤S303：优化平台执行Linux系统下的shell脚本程序。通过新方案样 本的控制点参数信息与立方样条函数的关系获得新的轮毂/机匣的坐标值，将 其作为准三维S2流面计算所需的输入参数，并进行风扇/压气机的准三维S2流面计算，获得对应新机匣型线的目标函数值；
步骤S304：针对准三维S2流面计算得到方案样本的目标函数值，采用遗 传算法进行全局寻优，获得最优机匣型线的设计参数与机匣型线结构。
所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，根据步骤六，对轮毂/ 机匣进行与立方样条关联的参数化处理，引入的立方样条函数的定义如下：
其中Pi+r为第i段曲线Si的控制点坐标值，Br(tu)为样条基函数，tu为参数 t在u∈[0,1]位置处的值，(u,v)为轮毂、机匣曲线坐标。立方样条基函数的数学 定义为：
有益效果：
1、本发明提出的优化设计方法，在优化设计过程中仅仅基于准三维S2流 面的流场计算以获得所有样本方案的目标函数值，不需要进行全三维粘性流场 的大规模复杂计算(全三维粘性流场的求解仅仅用于后期对最优方案结果的验 证)。因此，它具有效率高、计算资源消耗较低(普通的台式机、笔记本电脑 就能够进行)等优势；因此，与其它目前所公布的相关研究成果对比，这对于 多级压气机/涡轮的端壁型线工程设计而言占有绝对优势。
2、本发明提出的优化设计方法，也适用于其它叶轮机械(如轴/径流涡轮、 轴/径流泵/压气机、轴/径流风机等)的端壁型线优化设计理论研究以及产品研 制，应用范围十分广泛，具有较强的通用性，此外，该方法的优化步骤流程化、 具体化，非常便于实际工程设计。
3、研究实践表明，采用本发明的设计方法能够较好地应用于超/跨音速轴 流风扇的通道端壁(轮毂/机匣)优化设计，通过整合优化步骤，最终优选并 验证了最佳设计方案，提高军用航空发动机压缩系统的总体气动性能。
附图说明：
图1为轮毂、机匣立方样条曲线示意图；
图2为优化设计流程图；
图3为优化设计平台；
图4为优化设计平台流程架构；
图5为原型方案、轮毂型线优化方案和在轮毂型线优化的基础上，优化机 匣型线方案的动叶进口相对马赫数沿相对叶高的分布；
图6为优化计算域及控制点位置；
图7为轮毂型线优化方案的风扇级设计转速特性线，绝热效率与流量特 性；
图8为轮毂型线优化方案的风扇级设计转速特性线，总压比与流量特性；
图9为在轮毂型线优化的基础上，优化机匣型线方案的风扇级设计转速特 性线，绝热效率与流量特性；
图10为在轮毂型线优化的基础上，优化机匣型线方案的风扇级设计转速 特性线，总压比与流量特性；
图11为原型方案与轮毂型线优化方案的几何对比；
图12为原型方案与轮毂型线优化方案的三维实体对比，原型三维实体，
图13为原型方案与轮毂型线优化方案的三维实体对比，轮毂型线优化方 案的三维实体。
具体实施方式：
实施例1
一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，建立一种基于准三维系统的 风扇/压气机端壁型线优化设计方法，并整合为相应的优化设计平台，准三维 优化设计方法包括以下步骤：
步骤一：首先将轴流风扇轮毂、机匣的原始设计进行参数化；
步骤二：提取控制点参数的数据信息，并采用立方样条函数进行关联；关 联即采用立方样条函数来表达原始设计轴流风扇轮毂、机匣的型线，以便于下 一步进行优化设计；
步骤三：执行shell脚本程序；
步骤四：产生新的控制参数与端壁型线方案样本；
步骤五：将新的控制参数与端壁型线方案样本作为准三维S2流面计算程 序所需的输入数据，进行风扇/压气机准三维S2流面计算；
步骤六：获得对应新的端壁型线的目标函数值；
步骤七：针对准三维S2流面计算得到所有方案样本的目标函数值，采用 遗传算法进行全局寻优，遴选出最优的端壁型线设计参数与端壁型线结构。
在全三维CFD验证阶段，采用叶轮机械数值仿真商业软件Numeca，将准 三维优化设计获得的最优端壁型线设计方案，在全三维粘性流环境中验证其可 靠性与正确性。
本发明的关键在于对风扇/压气机的轮毂/机匣进行与立方样条关联的参数 化处理以及端壁型线优化设计平台的开发，其中，参数化处理方法是基于风扇 /压气机轮毂/机匣的原始设计数据，提取相应的控制点数据信息，通过控制点 的信息与立方样条函数来表达端壁型线的几何特征，这样，在优化设计过程中 可以尽可能减少优化变量的数目，极大地提高优化设计的效率。端壁型线优化 设计平台由两个主要模块组成，即用户定义模块与优化脚本(shell脚本)模 块。其中，shell脚本模块包括方案样本产生模块、准三维S2流面计算模块以 及目标函数寻优模块，如图3所示。
实施例2
实施例1所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法的优化平台， 其端壁的优化设计平台包括以下步骤：
步骤一：用户在template文件定义优化参数变量名称及其在文件中的位 置；
步骤二：优化算法选取及参数设置、设定优化变量范围、目标函数以及优 化约束；
步骤三：承接步骤一执行DPrePro程序，给template文件输入不同的变量 值；
步骤四：输入Prcontrol.dat文件，样本参数文件；
步骤五：执行立方样条函数程序，根据控制点与立方样条函数计算端壁曲 线；
步骤六：准三维S2输入文件，与风扇/压气机叶片设计相关的几何与气动 参数文件：*.tstk，*.bgp；
步骤七：承接步骤五与步骤六运行准三维S2程序，将新的端壁型线数据 作为准三维程序的输入文件，运行准三维程序，获得新的目标函数值输入文件 *.twal；
步骤八：Output bladedata*.dat，在bladedata*.dat文件里查找目标函数值， 并将其输入至优化模块；
步骤九：执行遗传算法程序，针对计算样本方案的目标函数进行寻优；
步骤十：如果寻优成功，进行最优端壁型线，输出端壁型线设计参数及型 线数据；如果寻优失败执行遗传算法程序，繁衍下一代个体后返回步骤三。
实施例3
实施例1所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，先对轮毂型 线单独进行优化设计，然后在此基础上对机匣型线进行优化设计，具体步骤如 下：
步骤S101：原型风扇/压气机轮毂型线数据的参数化分析与处理。即基于 风扇/压气机轮毂原始设计数据，提取相应的控制点数据信息，通过控制点的 信息与立方样条函数来表达轮毂型线的几何特征；
步骤S102：建立轮毂型线优化设计的数学模型；
以风扇/压气机级的绝热效率为目标函数，以控制点的坐标信息为优化变 量建立数学模型；具体的端壁型线优化设计的数学模型：
步骤S103：执行优化平台，进行轮毂型线的优化设计；
步骤S104：采用叶轮机械数值仿真商业软件Numeca，将准三维优化设计 获得的最优轮毂型线设计方案，在全三维粘性流环境中验证其可靠性与正确 性。
实施例4
实施例3所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，根据步骤 S103：执行优化平台，进行轮毂型线的优化设计，具体执行方法如下：
步骤S201：用户在用户定义模块给出优化设计变量/参数的数目与取值范 围、目标函数、约束条件、寻优方法以及准三维计算的输入文件；
步骤S202：根据优化设计变量/参数的数目与取值范围，优化平台执行 Linux系统下的shell脚本文件，产生新的方案样本；
步骤S203：优化平台执行Linux系统下的shell脚本程序。通过新方案样 本的控制点参数信息与立方样条函数的关系获得新的轮毂/机匣的坐标值，将 其作为准三维S2流面计算所需的输入参数，并进行风扇/压气机的准三维S2流面计算，获得对应新的轮毂型线的目标函数值；
步骤S204：针对准三维S2流面计算得到方案样本的目标函数值，采用遗 传算法进行全局寻优，获得最优轮毂型线的设计参数与轮毂轮毂型线结构。
实施例5
实施例3所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，最优轮毂型 线设计方案的基础上进行机匣型线的优化设计，具体步骤如下：
步骤S301：用户在用户定义模块给出优化设计变量/参数的数目与取值范 围、目标函数、约束条件、寻优方法以及准三维计算的输入文件；
步骤S302：根据优化设计变量/参数的数目与取值范围，优化平台执行 Linux系统下的shell脚本文件，产生新的方案样本；
步骤S303：优化平台执行Linux系统下的shell脚本程序。通过新方案样 本的控制点参数信息与立方样条函数的关系获得新的轮毂/机匣的坐标值，将 其作为准三维S2流面计算所需的输入参数，并进行风扇/压气机的准三维S2流面计算，获得对应新的机匣型线的目标函数值；
步骤S304：针对准三维S2流面计算得到方案样本的目标函数值，采用遗 传算法进行全局寻优，获得最优机匣型线的设计参数与机匣型线结构。
实施例6
实施例1所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，根据步骤六， 对轮毂/机匣进行与立方样条关联的参数化处理，引入的立方样条函数的定义 如下：
其中Pi+r为第i段曲线Si的控制点坐标值，Br(tu)为样条基函数，tu为参数 t在u∈[0,1]位置处的值，(u,v)为轮毂、机匣曲线坐标。立方样条基函数的数学 定义为：
由于其数学表达式相对简单，并且能够保证二阶连续导数，因此，它不仅 便于航空发动机工程设计人员理解、接受与应用，而且能够保证端壁型线的光 滑性，有助于获得气动性能优秀的风扇/压气机端壁型线结构。
本发明的关键在于对风扇/压气机的轮毂/机匣进行与立方样条关联的参数 化处理以及端壁型线优化设计平台的开发，其中，参数化处理方法是基于风扇 /压气机轮毂/机匣的原始设计数据，提取相应的控制点数据信息，通过控制点 的信息与立方样条函数来表达端壁型线的几何特征。这样，在优化设计过程中 可以尽可能减少优化变量的数目，极大地提高优化设计的效率，端壁型线优化 设计平台由两个主要模块组成，即用户定义模块与优化脚本(shell脚本)模 块，其中，shell脚本模块包括方案样本产生模块、准三维S2流面计算模块以 及目标函数寻优模块，如图3所示，优化设计平台流程架构如图4所示。
本发明优化设计平台的工作原理为：第一步，用户在用户定义模块给出优 化设计变量/参数的数目与取值范围、目标函数、约束条件、寻优方法以及准 三维计算的输入文件；第二步，根据优化设计变量/参数的数目与取值范围， 优化平台执行Linux系统下的shell脚本文件，产生新的方案样本；第三步， 优化平台执行Linux系统下的shell脚本程序，通过新方案样本的控制点参数 信息与立方样条函数的关系获得新的轮毂/机匣的坐标值，将其作为准三维S2流面计算所需的输入参数，并进行风扇/压气机的准三维S2流面计算，获得对 应新端壁型线的目标函数值；第四步，针对准三维S2流面计算得到方案样本 的目标函数值，采用遗传算法进行全局寻优，获得最优端壁型线的设计参数与 端壁(轮毂/机匣)型线结构。
实施例7
实施例1-6为了说明本发明的优势，并探索一种更为有效的风扇/压气机端 壁型线的优化设计方法，该实施例采用的某超/跨音速轴流风扇具有如下特征： 风扇转子叶片通道的相对来流基本均处于超音速状态，叶尖相对来流马赫数为 1.5，如图5所示，静叶通道的相对来流处于跨音速状态。该风扇的主要设计 参数如表1所示。
表1某超/跨音速风扇级的主要设计参数
在端壁型线参数化阶段，优化计算域即为超/跨音速轴流风扇从进口至出 口的轮毂/机匣型线。基于原型方案的设计数据的处理分析，在轮毂/机匣的不 同位置获取8个控制点参数信息，这8个控制点实则为轮毂/机匣坐标的控制 点。图6给出了轮毂型线的8个控制点cph1～cph8以及机匣型线cps1～cps8的分 布规律。在优化平台的用户定义模块中，分别给定8个控制点的变化范围。在 优化平台的样本产生模块中，根据这8个控制点的参数变化范围，按照样本数 目最优原则产生相应的计算样本。在优化平台的准三维计算模块中，依次计算 所有样本方案的目标函数值。在优化平台的寻优模块中，根据遗传算法全局寻 优，遴选最优的端壁型线设计方案，最后输出优化设计结果。最后，针对最优 的端壁型线设计方案进行三维建模(包括动、静叶片与上、下端壁建模)，采用 全三维粘性CFD技术，验证在准三维优化设计中获得的最优端壁型线设计方 案的可靠性与正确性。
步骤S102的优化设计的数学模型：
目标函数：风扇级绝热效率ηad＝f(cp1,cp2,……,cp8)，寻优过程搜索maxηad；
约束条件：风扇级的质量流量不小于原型风扇级的质量流量，风扇级的总 压比不小于原型风扇级的总压比；
优化变量：8个端壁型线控制点的坐标；
优化算法主要参数：采用遗传算法进行全局寻优，种群大小为12，交叉 概率为0.8，变异或突变概率为0.1，最大迭代次数为150，繁衍代数为10。
表2给出了风扇的轮毂、机匣最优设计方案与初始方案性能对比。表中的 数据显示，单独对轮毂型线进行优化设计后的风扇级，设计点的绝热效率增加 为0.63％，总压比增加0.586％，质量流量增加0.0935％，失速裕度增加0.348％， 堵塞流量增加0.24％，失速流量降低1.143％。
在对轮毂型线进行优化设计的基础上，开展机匣型线的优化设计工作。通 过机匣型线优化后的风扇级，设计点的绝热效率增加0.57％，总压比增加 0.36％，质量流量增加0.19％，失速裕度增加1.297％，堵塞流量增加0.31％， 失速流量降低1.02％。
综上所述，采用本发明对该超/跨音速轴流风扇的端壁型线进行优化设计， 不仅风扇设计点的气动性能明显增加，而且非设计点的气动性能也得到改善。 因此，该风扇的总体气动性能得到了全面的提升。
表2轮毂/机匣最优设计方案与初始方案气动性能对比
图7与图8给出了轮毂型线优化方案的风扇级设计转速特性线，图7为绝 热效率与流量特性，图8为总压比与流量特性。研究结果表明，相对于原型风 扇，虽然仅仅对风扇的轮毂型线进行优化设计，但是风扇的整体气动性能得到 了全面的提升，具体表现为：不仅设计点与非设计点风扇的气动性能增加，而 且风扇的特性曲线随流量的变化较为平缓，高效率的工作范围与失速裕度得到 了有效拓展。
为了进一步验证风扇端壁优化对风扇整体性能的影响，同时也验证本发明 提出方法的可靠性，在最优的轮毂型线的基础上，将方法用于开展机匣型线优 化设计研究，优化后结果与原型数据对比见表2
图9与图10给出了在轮毂型线优化的基础上，优化机匣型线方案的风扇 级设计转速特性线。研究结果表明，用本发明提出的优化设计方法不仅可以用 于轮毂型线的优化设计，也可以用于机匣型线的优化设计。而且，通过机匣型 线的优化后，超/跨音速风扇的整体气动性能也能够得到一定程度的拓展。
通过采用本发明提出的设计方法对某超/跨音速轴流风扇的轮毂与机匣型 线进行优化设计，不仅使该风扇的设计点气动性能获得了一定的提升，而且稳 定工作范围也得到良好的拓展。这对于实际工程设计而言，将是十分可喜成果。 同时，这也在一定程度上验证了本发明提出的设计方法的通用性与可行性。
图11给出了原型方案与轮毂型线优化方案的几何对比，与图11对应，图 12与图13给出了原型方案与轮毂型线优化方案的三维实体对比，图12原型 三维实体，图13轮毂型线优化方案的三维实体。
研究结果表明，相对于原型设计，优化后的轮毂型线表现为“前凹后凸” 的变化规律。这说明，对于超/跨音速风扇而言，子午型线所构建的通流面积 沿流向的面积收缩率与空间流管收缩规律应为“先缓后急”，且端壁型线二阶 导数的符号沿流向应该依据具体的流动物理规律存在交替变化特征。这样更加 能够适应逆压环境下的超/跨音速流动的物理规律，同时也提高通流几何在三 维空间内对于附面层乃至主流的整流与导流性能。上述即为通过采用本发明的 优化设计方法所获得的超/跨音速流动物理机制与通流几何关联的基本原理。
需要说明的是，本发明同样适用于其它叶轮机械(如轴/径流涡轮、轴/径 流泵/压气机、轴/径流风机等)的端壁型线优化设计理论研究以及产品研制， 用范围十分广泛，具有较强的通用性。此外，该方法的优化步骤流程化、具体 化，非常便于实际工程设计。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例， 本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替 换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，其特征是：建立一种基于准三维系统的风扇/压气机端壁型线优化设计方法，并整合为相应的优化设计平台，准三维优化设计方法包括以下步骤：
步骤一：首先将轴流风扇/压气机轮毂、机匣的原始设计进行参数化；
步骤二：提取控制点参数的数据信息，并采用立方样条函数进行关联；
步骤三：执行shell脚本程序；
步骤四：产生新的控制参数与端壁型线方案样本；
步骤五：新的控制参数与端壁型线方案样本作为准三维S2流面计算程序所需的输入数据，进行风扇/压气机准三维S2流面计算；
步骤六：获得对应新的端壁型线样本的目标函数值；
步骤七：针对准三维S2流面计算得到所有方案样本的目标函数值，采用遗传算法进行全局寻优，遴选出最优的端壁型线设计参数与端壁轮毂/机匣型线结构。
2.利用权利要求1所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法的优化平台，其端壁的优化设计平台包括以下步骤：
步骤一：用户在template文件定义优化参数变量名称及其在文件中的位置；
步骤二：优化算法选取及参数设置、设定优化变量范围、目标函数以及优化约束；
步骤三：承接步骤一执行DPrePro程序，给template文件输入不同的变量值；
步骤四：输入Prcontrol.dat文件，样本参数文件；
步骤五：执行立方样条函数程序，根据控制点与立方样条函数计算端壁曲线；
步骤六：准三维S2输入文件，与风扇/压气机叶片设计相关的几何与气动参数文件：*.tstk，*.bgp；
步骤七：承接步骤五与步骤六运行准三维S2程序，将新的端壁型线数据作为准三维程序的输入文件，运行准三维程序，获得新的目标函数值输入文件*.twal；
步骤八：Output bladedata*.dat，在bladedata*.dat文件里查找目标函数值，并将其输入至优化模块；
步骤九：执行遗传算法程序，针对计算样本方案的目标函数进行寻优；
步骤十：如果寻优成功，进行最优端壁型线，输出端壁型线设计参数及型线数据；如果寻优失败执行遗传算法程序，繁衍下一代个体后返回步骤三。
3.根据权利要求1所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，其特征是：先对轮毂型线单独进行优化设计，然后在此基础上对机匣型线进行优化设计，具体步骤如下：
步骤S101：原型风扇/压气机轮毂型线数据的参数化分析与处理。即基于风扇/压气机轮毂原始设计数据，提取相应的控制点数据信息，通过控制点的信息与立方样条函数来表达轮毂型线的几何特征；
步骤S102：建立轮毂型线优化设计的数学模型；
步骤S103：执行优化平台，进行轮毂型线的优化设计；
步骤S104：采用叶轮机械数值仿真商业软件Numeca，将准三维优化设计获得的最优轮毂型线设计方案，在全三维粘性流环境中验证其可靠性与正确性。
4.根据权利要求3所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，其特征是：根据步骤S103：执行优化平台，进行轮毂型线的优化设计，具体执行方法如下：
步骤S201：用户在用户定义模块给出优化设计变量/参数的数目与取值范围、目标函数、约束条件、寻优方法以及准三维计算的输入文件；
步骤S202：根据优化设计变量/参数的数目与取值范围，优化平台执行Linux系统下的shell脚本文件，产生新的方案样本；
步骤S203：优化平台执行Linux系统下的shell脚本程序。通过新方案样本的控制点参数信息与立方样条函数的关系获得新的轮毂/机匣的坐标值，将其作为准三维S2流面计算所需的输入参数，并进行风扇/压气机的准三维S2流面计算，获得对应新轮毂型线的目标函数值；
步骤S204：针对准三维S2流面计算得到方案样本的目标函数值，采用遗传算法进行全局寻优，获得最优端壁型线的设计参数与端壁轮毂型线结构。
5.根据权利要求3所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，其特征是：最优轮毂型线设计方案的基础上进行机匣型线的优化设计，具体步骤如下：
步骤S301：用户在用户定义模块给出优化设计变量/参数的数目与取值范围、目标函数、约束条件、寻优方法以及准三维计算的输入文件；
步骤S302：根据优化设计变量/参数的数目与取值范围，优化平台执行Linux系统下的shell脚本文件，产生新的方案样本；
步骤S303：优化平台执行Linux系统下的shell脚本程序。通过新方案样本的控制点参数信息与立方样条函数的关系获得新的轮毂/机匣的坐标值，将其作为准三维S2流面计算所需的输入参数，并进行风扇/压气机的准三维S2流面计算，获得对应新机匣型线的目标函数值；
步骤S304：针对准三维S2流面计算得到方案样本的目标函数值，采用遗传算法进行全局寻优，获得最优机匣型线的设计参数与机匣型线结构。
6.根据权利要求1所述的一种风扇/压气机端壁型线的优化设计方法，其特征是：根据步骤六，对轮毂/机匣进行与立方样条关联的参数化处理，引入的立方样条函数的定义如下：
其中Pi+r为第i段曲线Si的控制点坐标值，Br(tu)为样条基函数，tu为参数t在u∈[0,1]位置处的值，(u,v)为轮毂、机匣曲线坐标。立方样条基函数的数学定义为：
。
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