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透平叶栅三维粘性气动反问题的控制理论方法.pdf
中Ⅲ1:秣热物理。≥会 热机广e动热力学
第f.二:届学术会}义 编譬:062050
透平叶栅三维粘性气动反问题的控制理论方法
李颖晨 丰镇平
(西安交通人学叶轮机械研究所,陕两西安710049)
Tel:029Email:ycli@stu.xjtu.edu.Cll
● ’ f
一
摘要:将基于控制理论的形状优化设计方法应用于粘性可压流动条件下的透r、I-nl’栅三维气动反设计.
详细推导了三维NS方程伴随系统的偏微分方程纽及其各类边界条件。讨论了伴随系统的解的适定性
条件,并由此给il{心用NS方程进行气动优化的I:1标函数的选取限制。研究了伴随方程的数值求解技
术,给出敏感性导数的最终计算式,结合拟牛顿算法发展丫三维透平叶栅粘性反问题的气动设计方法。
关键词:+反问题,控制理论.敏感性导数,NS方程,伴随方程
l 引言
叶轮机械气动反问题就是研究其内流部件应该具有怎样的形状才能满足气动性能
的要求。由于透平内部流动的复杂性,叶栅的自动设计一直是CFD设计领域一个难题。
受以往反问题方法的局限以及计算机资源的限制,叶栅的全三维粘性气动反设计还处于
研究阶段,尤其对于设计变量较多的问题,难予实现工业应用。因此发展先进的透平叶
栅气动设计体系,亟需引入先进的理论、发展新的反问题方法加以创新促进。
方法应用予叶轮机械气动设计中。这些方法火体分为三类:第一类为基于势流理论的
S1,S2流面设计方法,如保角变换法、复特征线法以及势流函数反方法等。这类方法推
导过程复杂、严谨,计算量小,但由于采刚过多假设条件,且难于推广到实际的三维流
动中,因而具有较火的局限性。第二类为基于正一反问题迭代的设计方法,其中尤以
题方法为代表。这些方法计算晕小,速度快,但对设计者的气动理论和设计经验要求较
高,为避免设计出不合理的叶栅,往往需要给定叶片厚度分布,具有较大的局限性。第
三类方法就是将反问题看作优化问题,通过最优化方法求解,包括传统的基于梯度的方
法、基于控制理论的形状优化设计【11和全局优化方法。这类方法通过直接求解Euler或
NS方程进行设计,能够应用成熟的CFD技术,易于施加几何及气动约束,且对设计人
员的经验要求不高。全局优化算法,尤以遗传算法、人:[神经网络以及响应面方法为代
表,具有良好的全局寻优特性,但需要巨人的计算机资源,设计周期长。而基于控制理
论的形状优化设计方法计算所需成本低,速度快,计算量与设计变量个数无关,囚而具
有很高的工业应用价值。自Jameson[21首次将其引入航空领域进行气动菠计至今,在十
几年的时间内得剑了飞速的发展,目前已成为航空领域的热门研究方向I孓引,但有关叶
轮机械内流部件设计的论文却不多见p引。 ·
NS方
本文将基于控制理论的形状优化设计方法应刚到透平nl‘栅的设计中,对应_【fj
399
程的叶栅二维粘性气动反问题进行了研究。详细推导了NS方袢的伴随方程及其内流边
界条件,讨论r伴随系统求解的适定性条件,从而给出了目标泛函选择的限制。最终结
合伴随变量给出了目标泛函对设计变餐的梯度计算式,并应J}j拟牛顿法,发展了适川丁
三维透平叶栅的粘性气动反问题算法。 .’
2 基于控制理论的气动设计方法
Method,也叫伴随方法)是上个世纪90年
基于控制理论的气动设计方法(Adjoint
代发展出的新的气动设计方法。该方法基于偏微分方程系统的控制理论,引入伴随系统
的概念,通过求解伴随方程米获得流动变量对设计变量敏感性导数的相关信息,避免了
流场的反复求解。作为一种基于梯度的优化算法,
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