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基于ANSYS与optiSLang耦合的压气机叶轮的优化设计

2016/10/17    来源:互联网    作者:张方明      
关键字:ANSYS  optiSLang  优化设计  
本文通过结合Workbench中三维流场模块CFX、静力学模块Static Structure与优化软件optiSLang对离心式压气机叶轮进行气动与机械力学的多目标模拟优化,并通过整体增压模型进行验证,最后通过比较原始与优化模型对应力和变形分布以及内部各三维量场分布进行分析总结。
   

    3.2 优化结果比较分析

    最后在设计点所在的转速进行不同流量的整体增压系统模拟,并比较最优叶轮设计及原始模型模拟结果。如图12左所示,比较流量一压比,流量一等熵效率特性线图可知:在设计转速下,优化叶轮在设计点处等熵效率小幅提高1.45%.增压比提高4.85%;优化模型在小于设计点流量时效率与原始模型相差较小,在大于设计点流量时,效率及压比提高幅度较大;设计转速下的工作范围明显增加,阻塞流量较原始模型增加6.64%,喘振线也稍微向左移动;通过比较叶轮最大应力及最大变形量可知,优化后叶片最大应力降低1.33%,最大变形量降低2.52%。总体上优化结果符合预期,由于兼顾安全性的考量,气动优化幅度相对较小。

图12 优化模型与原始模型的FEM模拟结果比较

图12 优化模型与原始模型的FEM模拟结果比较

图13 (左)优化叶型与原始叶型在不同叶高下比对;(右)子午线流道比对   

图13 (左)优化叶型与原始叶型在不同叶高下比对;(右)子午线流道比对    

    通过比较图13中原始叶型与优化叶型比较可得:在设计转速下,优化(主)叶片前缘几何角度通体变小用以迎合由流量影响的入口速度,减小入射损失;优化(主)叶片后缘叶根处较叶尖处稍微向后突出,倾斜角变小,有利于增加压比,提高等熵效率,该结论由灵敏度分析得知;主叶片中部也稍向前倾斜,此举可使迁移流避免由于离心力作用而进入叶轮间隙,影响增压,倾斜过度不仅影响机械强度(通过图12得以验证)也使腔内流体额外增加较大垂直于叶片向下分量,并降低叶片有效增压面积;优化叶片厚度与原始模型类似;分流叶片相较于主叶片则向扩大倾斜角的方向偏移。

    由图13(右)可知,优化轮毂曲线较原始流道向内凹陷,叶片高度有所增加,在同转速下叶轮做功能力增大,工作效率及范围有所增加,然而压气机叶片所受载荷增加且对涡轮能量输出的需求提高。

    通过比较10%、50%、90%叶高的静压分布(如图14)可知:主、从叶片前缘载荷由叶根向叶尖持续扩大,前缘处的极低、极高静压值与其位置主要决定于来流角度与叶片前缘构造角差值Aa,叶轮转速,流量影响等,而在叶片顶部将额外受到间隙流的影响,原始叶型与优化叶型在主叶片前缘载荷上较为接近,而优化后的分流叶片载荷鞍小,这有利于获得较好的流体入口状态,降低对叶轮内静压不平衡影响因素;从径向流开始位置附近起(约30%弦长),压力面静压明显增加,由压、吸力面构成的载荷面积在优化后明显增大,有效功因此提升;在间隙流与二次流的作用下,90%叶高处静压分布极不稳定,在气流径向运动过程中,二次流将低能流体推向叶片吸力面靠轮缘间隙区域,从而形成“尾迹”雏形,因而在此处边界层分离及涡的形成较为明显,由此,90%叶片尾部靠轮后缘部分低压区比叶根与叶中部更高,相较于原始叶片,优化叶型在此处形成的低压值得以控制,“尾迹”幅度也稍有收敛。

图14 优化叶片与原始叶片在不同叶高处的静压分布

图14 优化叶片与原始叶片在不同叶高处的静压分布    

    通过比较主叶吸力面,分流叶片压力面及其表面极限流线(图15)可知:流体在叶片表面由于离心作用从叶根向叶片外缘迁移,由于高能流体受叶片前缘分离而在吸力面靠近分离线位置产生低压区的影响,边界层变厚,迁移流在此处进行分离,优化叶型分离流区域较小,而原始叶型由于低压区的不均匀分布而产生扭曲,二次流损失更大;在原始主叶片吸力面边缘部分,存在的泄露流较为明显,这表明叶片压、吸力面压差较大,由此可得,优化叶片的泄露损失相对较小;50%弦长后,优化叶片的径向流更为平坦,主叶片和分流叶片静压载荷分布比原始叶片更加均匀,这说明流体运动在叶轮内更为均匀,流动损失较小。图16为50%叶高时原始叶轮流道与优化后流道的静压分布比较,通过比较可知,优化后静压显然比原始叶片更高,分布更为合理。

图15 优化叶片与原始叶片的静压分布及极限流线

图15 优化叶片与原始叶片的静压分布及极限流线

图16 优化叶片与原始叶片50%叶高时静压分布

图16 优化叶片与原始叶片50%叶高时静压分布  

图17 原始叶片与优化叶片在80%弦长截面的熵产、速度流线分布

图17 原始叶片与优化叶片在80%弦长截面的熵产、速度流线分布

    通过对不同叶轮在80%弦长时截面的熵产分布(如图17)比较可知:流动损失主要集中于压力面顶部与轮盖形成的三角区内,且原始叶轮中流动损失较大,范围较广;由图15中的极限流线可知,吸力面附近低能流体由轮毂向轮盖迁移,与高能泄露流相遇,在粘滞力作用下向压力面移动,其间产生大量摩擦损失。泄露流在受到压力面静压作用下,流动方向再次指向吸力面,并产生顺时针方向涡而产生损失.原始叶型的熵产峰值则主要由主叶片弯曲曲率引起,原始主叶片顶部向后倾斜,造成流体在离心力和叶片静压力的作用下产生向上分量tl,且数值较大,与在同区域形成的顺时针涡产生较大分子作用力,损失最大值由此产生;优化主叶片根部相较于原始叶片倾斜角更大,使得流体在向下分量t2的作用下,径向流更加平稳流出叶轮出口而非轮盖区域,间隙流得到抑制。

4 结论

    1.通过ANSYS与optiSLang耦合成功对压气机叶轮进行多目标几何优化,优化步骤为首先通过Bezier曲线成功对叶轮叶型和轮毂曲线进行参数化造型以及对三维CFD模型的正确性进行验证,然后运用优化软件optiSLang中各模块功能:运用optiSLang中拉丁超立方法构建模拟样本集,优点在于样本数少,代表性高等特点;通过利用三维及力学模拟结果建立近似模型而获得各优化参数与优化目标之间的映射关系,并对其进行灵敏度分析以及MOP模型的验证;运用optiSLang中遗传算法对模型进行优化并且验证,最后比较优化与原始模型,并进行分析总结。基于ANSYS与optiSLang耦合的整套优化系统,具有操作简单、高效等特点。

    2.优化后的模型,气动性能以及安全性大大提高。在设计转速下,等熵效率与增压比的优化度均受到流量影响;在设计工况点,等熵效率提高1.45%、增压比提高4.85%,有助于发动机的downsizing;叶轮工作范围也大幅提高,达到提前或者延后其工作时间等目的,增加发动机效率;叶轮的最大应力以及最大变形量也得到控制;叶轮质量的降低也无疑的降低其转动惯量,并有助于减少迟滞现象。

    3.通过比较原始与优化叶轮可知:整体叶片倾斜角对间隙流的形成以及应力和变形的分布造成影响;叶片前缘构造角则直接影响入射损失以及流体入口状态;叶片后缘构造角将对压比的增加以及在此处形成的由涡流和边界层分离引起的低压值产生影响;优化后的叶型,流场静压升得以提高,静压分布也较为合理,间隙流与二次流也相对减少,叶片载荷提高而使叶轮做功量加大。

责任编辑:马倩
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