CAESES在离心叶轮造型及优化上的应用

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）。

                                                                          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：

                                                                      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；

                                                            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；

                                                                  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；

                                                                           叶片曲面

叶片参数变化示意如下：

                                                                前缘曲率变化（动图1）

                                                          前缘椭圆度变化（动图2）

                                                                         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；

                                                                        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；

 

                                                                         单通道网格

                                                              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

                                                                       优化算法设置

                                                                   优化计算数据结果

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

 优化结果 

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