基于ANSYS與optiSLang的壓氣機葉輪的優(yōu)化設(shè)計

1、基于ANSYS與optiSLang耦合的壓氣機葉輪的優(yōu)化設(shè)計目錄壓氣機問題描述壓氣機優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化模型及算法優(yōu)化結(jié)果分析結(jié)論2目錄壓氣機問題描述壓氣機優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化模型及算法優(yōu)化結(jié)果分析結(jié)論3壓氣機問題描述壓氣機等熵效率（流動損失降低，尾氣利用率等）壓氣機增壓比（葉片載荷，渦輪負(fù)載等）壓氣機工作范圍（與發(fā)動機工況的重合度）葉輪質(zhì)量（轉(zhuǎn)動慣量，最大應(yīng)力等）圖片摘自網(wǎng)絡(luò)4目錄壓氣機問題描述壓氣機優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化模型及算法優(yōu)化結(jié)果分析結(jié)論5壓氣機優(yōu)化目標(biāo)整體增壓系統(tǒng)的等熵效率的最大化降低最大應(yīng)力且低于安全應(yīng)力下降低最大變形量至少保持原有變形量降低質(zhì)量并至少保持原有質(zhì)量增加至少保持現(xiàn)有的最大阻塞流量保持或者提

2、高在喘振區(qū)域附近增壓比阻塞線壓比等熵效率流量流量-壓比特征圖流量流量- 等熵效率特征圖6目錄壓氣機問題描述壓氣機優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化模型及算法優(yōu)化結(jié)果分析結(jié)論7優(yōu)化模型及算法-整體優(yōu)化流程實驗?zāi)Ｐ蛥?shù)化CFD模擬CAD-Import原始模型實驗數(shù)據(jù)驗證模擬計算（CFX,FEM）模擬結(jié)果（等熵效率,壓比,最大應(yīng)力等）遺傳算法模型優(yōu)化MOP1. 靈敏度分析2. 近似模型整體增壓 模型模擬優(yōu)化后 最優(yōu)解驗證后 最優(yōu)解步驟1: 參數(shù)化實驗?zāi)Ｐ?；與實驗數(shù)據(jù)比較；原始模型的確立步驟2: optiSLang與Ansys耦合；三維流場及靜力學(xué)模型；求得最優(yōu)解 步驟3: 通過整體增壓模型對最優(yōu)解驗證步驟1步驟3 循環(huán)步

3、驟2驗證8優(yōu)化模型及算法-單流道及整體增壓系統(tǒng)三維單流道模型對稱面對稱面單流道葉輪出口出口增壓系統(tǒng)模型進口葉輪ANSYS CFD 16.1SST turbulence model with wall functionSteady state with “Frozen Rotor”Walls: adiabatic, no slip boundary conditionone passaga model 0.9 Mio. Nodes/ whole compression model 8.2 Mio注：為節(jié)約成本對優(yōu)化過程進行單流道模擬，步驟1與步驟3均為整體增壓系統(tǒng)模擬9優(yōu)化模型及算法-整體增壓模

4、型驗證實驗值網(wǎng)格1 網(wǎng)格2 網(wǎng)格3網(wǎng)格31.31 Mio.網(wǎng)格22.16 Mio.網(wǎng)格13.01 Mio.修正流量kg/s修正流量kg/s壓比-壓比-轉(zhuǎn)速單位：kr/min模擬值實驗值 設(shè)計點200180101601401201008060網(wǎng)格1所得模擬結(jié)果較好，網(wǎng)格2與網(wǎng)格3較大脫離實驗值由網(wǎng)格1所得各轉(zhuǎn)速下工況曲線接近實驗值，予以采納優(yōu)化模型及算法-ANSYS與optiSLang耦合optiPluginterface between Workbench und optiSLangdata exchange：葉片角度、厚度信息：輪轂曲線信息：輸出信息Ansys1. Static Struct

5、ure112. CFXoptiSLangSensitivityOptimization優(yōu)化模型及算法-輸入?yún)?shù)（葉片角度/厚度及輪轂）優(yōu)化參數(shù)個數(shù)輪轂7主葉片（角度）52主葉片（厚度）52分流葉片（角度）52分流葉片（厚度）52共計4712葉片幾何角-m % （葉片前緣至后緣）通過ANSYS Designmodeler 16.1 CAD-Import功能對原始葉片進行構(gòu)造角及厚度的計算識別處理， 采用Beta角和厚度曲線對葉型進行描述，均采用4階Bezier曲線擬合。輪轂曲線則借助SolidWorks建立參數(shù)化模型，導(dǎo)入ANSYS中進行識別目錄壓氣機問題描述壓氣機優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化模型及算法優(yōu)化結(jié)果

6、分析結(jié)論13優(yōu)化結(jié)果分析-靈敏度分析FD1027FD1027最大變形14葉輪質(zhì)量等熵效率最大應(yīng)力壓比除壓比外，其他輸出參數(shù)的CoP值均高于或等于90% MOP近似公式較好主葉片前緣頂端幾何角及主葉后緣根角對各輸出參數(shù)影響較大優(yōu)化結(jié)果分析-迭代過程分析MOP模型共創(chuàng)建9000個設(shè)計點，壓比與等熵效率逐代進行收斂，并趨近去最優(yōu)值15壓比等熵效率優(yōu)化結(jié)果分析-Pareto解集最大 應(yīng)力最大 變形質(zhì)量壓比等熵效率op1-3.5%-6.6%-3.2%3.3%3.4%op2-3.8%-5.1%-3.4%3.4%3.5%op3-4.2%-6.4%-3.4%2.8%3.2%op4-3.1%-4.5%-4.1%

7、3.3%3.6%op5-5.3%-6.6%-1.0%2.6%2.9%原始模型壓比9000個MOP設(shè)計點 Pareto解集最優(yōu)設(shè)計點等熵效率-16原始模型效率壓比-共計9000個MOP設(shè)計點，Pareto解集共有1047個設(shè)計點，集中于圖右上位置Pareto最優(yōu)解集中找出五種最優(yōu)葉輪設(shè)計優(yōu)化結(jié)果分析-MOP最優(yōu)解驗證壓比-優(yōu)化點等熵效率-17優(yōu)化點在設(shè)計點工況下，由近似模型所得壓比與驗證模擬結(jié)果差值約為0.05bar，等熵效率增幅約為0.025，驗證結(jié)果與近似結(jié)果相近，近似模型準(zhǔn)確度較高。優(yōu)化結(jié)果分析-最優(yōu)解在整體增壓模型中的驗證等熵效率%壓比-阻塞流量壓比與等熵效率比較原始葉型最大應(yīng)力最大變形

8、Pa18m優(yōu)化葉型修正流量kg/s優(yōu)化葉輪在設(shè)計點處等熵效率小幅提高1.45%，增壓比提高4.85%阻塞流量較原始模型增加6.64%，喘振線也稍微向左移動優(yōu)化后葉片最大應(yīng)力降低1.33%，最大變形量降低2.52%優(yōu)化結(jié)果分析-優(yōu)化葉型與原始葉型比較原始葉型（主葉片）優(yōu)化葉型（主葉片）葉高 10%葉高 50%葉高 90%原始流道（主葉片） 優(yōu)化流道（主葉片）子午線流道19優(yōu)化（主）葉片前緣幾何角度通體變小以迎合由流量影響的入口速度，減小入射損失優(yōu)化（主）葉片后緣葉根處較葉尖處稍微向后突出，有利于增加壓比，提高等熵效率主葉片中部稍向前傾斜，可使遷移流避免由于離心力作用而進入葉輪間隙，影響增壓優(yōu)化葉片厚度與原始模型類似優(yōu)化結(jié)果分析-優(yōu)化葉型與原始葉型模擬結(jié)果比較原始葉型優(yōu)化葉型原始葉型優(yōu)化葉型50%葉高流道面主葉片吸力面 分流葉片壓力面20優(yōu)化葉型優(yōu)點：分離流區(qū)域較小且此處二次流較小泄露損失較原始模型更小徑向流流動均勻，流動損失較小靜壓比原始葉片更高目錄壓氣機問題描述壓氣機優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化模型及算法優(yōu)化結(jié)果分析結(jié)論21結(jié)論通過ANSYS與optiSLang耦合成功對壓氣機葉輪進行多目標(biāo)優(yōu)化， 優(yōu)化具有操