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

 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 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

 
*单通道 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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