一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113836651A(43)申请公布日2021.12.24(21)申请号202111011945.XG06F113/08(2020.01)(22)申请日2021.08.31(71)申请人厦门大学地址361005福建省厦门市思明区思明南路422号(72)发明人邱若凡周康周涛尤延铖闫成(74)专利代理机构厦门南强之路专利事务所(普通合伙)35200代理人马应森戴深峻(51)Int.Cl.G06F30/17(2020.01)G06F30/18(2020.01)G06F30/28(2020.01)G06F111/10(2020.01)权利要求书3页说明书7页附图2页(54)发明名称一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法(57)摘要一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，属于涡轮气动设计领域。建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型，确定设计域和出入口位置；构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数等三个目标函数；调整目标函数之间数量级确保量级相近，以此构建修正的多目标函数；定义相应边界条件并求解流场，利用伴随法求解伴随流场，输出伴随乘子，进行灵敏度分析计算；将目标函数值及其灵敏度代入MMA优化算法进行优化，更新设计变量；判断目标函数是否收敛，若否，则将更新的设计变量代入MMA优化算法继续迭代，若满足，则输出最终拓扑结果。无需给定几何信息及初始叶型，为发动机涡轮叶栅构型设计提供一种新思路。CN113836651ACN113836651A权利要求书1/3页1.一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，其特征在于包含以下步骤：1)根据流体拓扑优化的目标和要求，建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型，确定设计域和出入口位置；2)根据实际设计需求定义加权函数，构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数的目标函数表达式；3)利用数学方法调整目标函数之间数量级确保量级相近，以此构建修正的多目标函数；4)定义相应边界条件并求解流场，利用伴随法求解伴随流场，输出伴随乘子，进行灵敏度分析计算；5)将目标函数值及其灵敏度代入MMA优化算法中，迭代更新设计变量；6)判断目标函数是否收敛，若否，则将更新的设计变量代入MMA优化算法继续迭代，若满足，则输出最终拓扑结果，完成涡轮叶栅流道拓扑设计。2.如权利要求1所述一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，其特征在于在步骤1)中，所述建立发动机涡轮叶栅流道拓扑优化的几何模型是利用变密度法对发动机涡轮叶栅进行设计，确定叶栅流道拓扑优化的设计区域Ω和流道的出入口位置。3.如权利要求1所述一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，其特征在于在步骤2)中，所述构建关于流体的能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数的目标函数表达式，是根据实际设计需求定义加权函数，具体目标函数的表达式如下：引入材料密度γ作为设计变量，将设计区域Ω离散化，定义流体的能量耗散ΦE(u,p,γ)：涡轮转动方向动量JM：JM＝∫ΩmundΩ流体所占体积分数βV：式中，μ为动力粘度，μT为湍流模型求解得到的湍流粘度，u为流体速度场，un为流体的法向速度，即为涡轮转动方向，V0为控制域中初始设计变量的总体积；由于叶栅转动机械能无法表征叶栅转动方向，致使优化结果将无法判别涡轮转动方向，故采用叶栅转动方向动量对此表征。4.如权利要求1所述一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，其特征在于在步骤3)中，所述构建修正的多目标函数的具体步骤为：(3.1)根据能量耗散、涡轮转动方向动量以及流体所占体积分数三个目标函数，综合考虑三者之间的相互作用关系，选择合适的权重系数，计算基于流体拓扑优化的发动机涡轮叶栅流道的多目标函数J：2CN113836651A权利要求书2/3页式中，ωE,ωM,ωV为各自对应目标函数的权重系数，三者相加和为1；**(3.2)确定涡轮转动方向动量的调级函数JM，逐步调整n1值，使得JM与流体的能量耗散ΦE数量级一致；*式中，n1由βV作为单目标优化时的收敛量级给定；**(3.3)确定流体体积分数的调级函数βV，逐步调整n2值，使得βV与流体的能量耗散ΦE数量级一致；*式中，n2由ΦE作为单目标优化时βV的收敛量级给定；(3.4)根据调量级后的目标函数，构建修正的多目标函数J*；F＝‑α(γ)uωE+ωM+ωV＝1,0≤ωE,ωM,ωV≤10≤γ≤1式中，ρ为该区域的流体密度，p为压强，T为温度，h为静焓，htot为总焓，k为热导率，F为源项，这里也称为达西力，表征流场中附加作用力的大小。5.如权利要求1所述一种基于流体拓扑优化的涡轮叶栅流道拓扑设计方法，其特征在于在步骤4)中，所述