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CAESES在离心叶轮造型及优化上的应用

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发表于 2019-11-15 16:00:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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在CAESES中可以采用专门的离心叶轮建模方法快速、方便的构建离心叶轮全参数化模型,也可以针对特殊结构进行造型研究(如下图向心涡轮中的星型结构)。



                               
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叶轮模型



本文将以某离心压气机叶轮为例介绍CAESES中进行离心叶轮参数化建模及优化的方法。



全参数化模型



离心叶轮的建模难点在于叶片曲面的构建及参数化表达,CAESES对于离心式叶轮的构建,主要分为三个部分的内容:



1. 在子午平面上限定hub、shroud、LE、TE的形状和位置曲线;

2. 在空间中创建一系列的中弧面流线并耦合成叶片中弧面;

3. 使用中弧面加厚度分布的方法创建出叶片曲面。



首先在CAESES中构建子午流道(子午流道型线可以采用直线-圆弧-直线或样条曲线等形式),可以定义如下参数:




                               
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子午面曲线形状



本案例中叶轮具有大小叶片,针对叶片在流道中位置可以定义如下参数:



? 大小叶片各自的LE曲线与hub、shroud相交的比例位置

? TE曲线与hub、shroud相交的比例位置



接下来在CAESES中构建从hub到shroud不同位置的叶片中弧线,从而进一步构建中弧面,控制中弧线形状和位置的参数主要有:



? 前缘theta角(前缘周向位置)

? 前缘beta角(进口气流角)

? 中弧线包角(尾缘周向位置-前缘周向位置)

? 尾缘beta角(出口气流角)

? 流线中部形状控制参数



以大叶片的LE曲线为约束,依次创建从叶根到叶顶的中弧线,然后将其耦合成大叶片的中弧面;




                               
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中弧线拟合创建中弧面



同样的方法,以小叶片的LE曲线为约束,依次进行小叶片中弧线的创建,然后再耦合成小叶片的中弧面;



                               
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叶片中弧面



使用已经创建成功的叶片中弧面,配合各自对应的厚度分布方程曲线,完成叶片曲面的创建,厚度分布曲线中定义的参数主要有:



? 前缘的椭圆比例系数;

? 叶片各个位置的厚度数值;




                               
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叶片曲面



叶片参数变化示意如下:




                               
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前缘曲率变化(动图1)




                               
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前缘椭圆度变化(动图2)



                               
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尾缘角度变化



自动化仿真流程搭建



叶片构建完毕后,需要输出模型进行CFD分析,本案例中采用CFX-Turbogrid软件进行叶轮单通道结构化网格的创建,将hub曲线、shroud曲线、大叶片、小叶片以坐标数据curve格式进行;




                               
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曲线数据输出



录制网格创建、CFX前处理、CFX求解、CFX后处理的一系列脚本文件,为CAESES设置链接的整个过程做好准备;




                               
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单通道网格



                               
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CAESES自动化链接面板



自动化优化



采用CAESES中的DOE及优化算法控制模型自动变化,并调用CFD软件分析,进行叶轮性能优化。

优化目标:

? 效率提升

? 压比提升




                               
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优化算法设置




                               
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优化计算数据结果




                               
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结果对比及参数变化影响趋势示意图



优化结果




                               
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