基于组合优化方法的平面叶栅优化设计

一种平面叶栅造型方法
一种平面叶栅造型方法
一种平面叶栅造型方法，也被称为“分段面积截面法”，是指用一系列平行线绘制叶栅图形，分段确定其叶片个数和面积。

首先，在一幅纸上绘制出端点和中心点，然后以端点和中心点一条条往外伸展，就形成一派叶片，在平行于伸展线的6条长线之间，再沿长线起点和终点画出一条短线，与相对应的几条长线成90°夹角，则会形成叶片的确定，按里外的叶栅的比例把框架及叶片画出来。

此外，还可以改变叶片的宽度、比例及形状。

由于制图使用的线条比有限，叶片的形状变化比较有限，但表面的质感也很漂亮，设计出的叶片节点也可以根据实际需要在形状上增加多边形。

此外，该制图方法还具有一定的空间拓展性，可以一直拓展到不同垂直维度上，并且线条和形状结构可以根据需要自由变更，具有较强的图形化表示功能，使图形更加丰富多彩。

通过这种方法可以得到丰富多彩的平面叶栅，较强的对比性又能让图案更加醒目。

叶型优化方法及系统与流程一、简介叶型优化是指通过对叶片的形状、结构、布置等方面进行调整和改进，从而提高叶片的性能和效率。

在航空航天、船舶、汽车、风力发电、化工等领域，叶型优化技术被广泛应用，能够显著提高设备的性能，降低能耗和排放，具有重要的应用价值。

本文将重点介绍叶型优化的方法、系统与流程。

二、叶型优化方法1. 计算流体力学模拟（CFD）计算流体力学模拟是一种基于数值计算的方法，通过对叶片周围流场的分析，可以获取叶片的受力情况、流动特性等重要参数，从而指导叶型的优化设计。

CFD模拟可以对复杂的流场进行模拟，并且可以进行参数化分析，快速获取大量数据，对叶型优化具有重要意义。

2. 基于机器学习的优化机器学习技术在叶型优化中的应用也越来越广泛，通过构建基于大量数据的模型，结合算法优化叶片的形状和结构。

机器学习可以根据大量的样本数据，学习不同参数对叶片性能的影响规律，从而找到最优的叶型设计。

3. 多目标优化方法叶型优化往往涉及到多个性能指标的优化，如提高流体动力性能的同时降低噪音、减小振动等。

多目标优化方法能够在设计过程中平衡不同性能指标之间的矛盾，找到最优的设计方案。

4. 拓扑优化拓扑优化是指通过对结构进行重新布局、优化，减小材料损耗，提高叶片的结构强度和刚度，从而实现轻量化和性能提升。

三、叶型优化系统叶型优化系统是对叶型设计、优化、分析等过程进行集成和自动化的系统平台，能够提高叶型设计的效率和精度。

叶型优化系统主要包括以下组成部分：1. 参数化建模参数化建模是叶型优化系统的基础，通过对叶型进行参数化的建模，可以实现对叶型形状的快速修改和优化。

2. 模拟分析叶型优化系统需要集成CFD等模拟分析工具，能够进行叶片流场分析、叶片受力分析等，为叶型设计提供科学的依据。

3. 优化算法叶型优化系统需要集成各种优化算法，能够实现对叶型形状、结构等参数的自动化优化，找到最优的设计方案。

4. 数据管理叶型优化系统需要建立统一的叶型数据管理平台，存储和管理叶型设计、优化、分析等相关数据，方便用户查找和共享。

风机叶片结构的优化组合设计随着风能发电技术的日益成熟，风电设备的性能和效率备受关注。

而作为风力发电机组的核心部件之一，风机叶片的结构设计也越来越重要。

如何设计出更为优化的风机叶片结构，提高其效率和性能，是当前风电行业亟待解决的问题之一。

1. 风机叶片的基本结构和设计原理风机叶片一般由前缘、背缘、表面、厚度等多个结构参数组成。

其中，前缘是叶片前部呈锥形的部分，起到引向风的作用；背缘是在进风面后方的部分，对流场的倒流和升力产生作用；表面是叶片的外表面，决定了空气在叶片表面的流动特性；厚度则决定了叶片的强度和稳定性。

风机叶片的设计原理是在牢记风力机的机械特性的基础上，尽可能地提高叶片的性能，使叶片能够在不同的工况下运行，并保持高效率。

在设计叶片时需要考虑到以下几个方面：(1) 叶片气动特性的影响因素：在设计叶片的过程中，需要细致地分析气动学问题，探究风对叶片的冲击作用，以及叶片背面的气流和压力分布等问题。

(2) 叶片材料的优化选择：叶片材料的选用是叶片设计中最为重要的因素之一。

优选材料需要具备良好的机械性能、稳定性、抗风能力以及低温性能。

(3) 叶片形状和数量：叶片形状和数量是设计叶片的另外两个关键因素。

通过设计叶片的形状和数量，可以有效地优化叶片的气动性能、增加叶片的扭矩和升力等。

2. 风机叶片结构的优化设计方法在风机叶片的优化设计过程中，需要综合考虑叶片的材料、结构、气动特性等多个因素，并采取合适的设计方法。

下面简单介绍几种优化设计方法：(1) 基于计算流体力学的优化设计方法：计算流体力学是一种数值计算方法，可以模拟液体和气体的流动过程，对风机叶片进行流体力学分析，优化叶片厚度、弯曲情况等参数，提高叶片的效率和稳定性。

(2) 基于能量分析的优化设计方法：能量分析是一种分析方法，适用于计算风机叶片的能量转化效率。

通过对风机叶片的能量分析，确定叶片的气动特性和材料性能，从而实现优化设计。

(3) 基于人工智能的优化设计方法：人工智能技术逐渐被引入到工程设计领域，能够帮助设计师实现智能化设计。

基于参数敏感性的涡轮平面叶栅多目标优化设计赖巍;李剑白;张剑【摘要】涡轮叶片平面叶栅优化方法借鉴已有研究成果，综合考虑了造型方法、性能评估方法、优化方法三个关键环节，在iSIGHT平台下完成了叶栅优化过程集成，建立了适合工程应用的涡轮叶栅多目标优化设计系统。

以高压涡轮导叶中截面为例，从参数敏感性、反设计及多目标优化三个方面，对优化方法进行了较为深入的分析。

结果表明，该方法可快速有效地优化涡轮叶栅流场和性能。

%Based on the existing research results, a new turbine cascade optimization method was devel⁃oped, which was synthesized with the three key points: the cascade geometry design, performance assess⁃ment and optimization method. The integration of the optimization process was achieved in the iSIGHT plat⁃form. A multi-objective optimization design system of turbine cascade was established, which was suitable for the engineering application. Taking the middle section of a high pressure turbine cascade as an example, the further analysis was made in three ways: the parameter susceptibilities the inverse design of cascade and multi-objective optimization. The results indicate that the new method is able to optimize the flow field and performance of cascade quickly and efficiently.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】6页(P54-59)【关键词】涡轮叶片;参数敏感性;反设计;多目标优化;优化算法;工程应用【作者】赖巍;李剑白;张剑【作者单位】中国燃气涡轮研究院，四川成都610500;中国燃气涡轮研究院，四川成都610500;中国燃气涡轮研究院，四川成都610500【正文语种】中文【中图分类】V231.3传统的涡轮叶片平面叶栅设计，首先根据初始叶片进行流场计算，分析计算结果，然后按照经验修改叶型设计参数，不断重复该过程，直至得到满意叶型，故其设计周期长、工作量大。

基于离散伴随方法的透平叶栅气动优化设计离散伴随方法在透平叶栅气动优化设计中的应用，是当前叶片设计领域的一种先进技术。

伴随方法作为一种优化算法，在气动设计中有着广泛的应用前景，尤其是在透平叶栅的设计与优化中表现出了显著的优势。

离散伴随方法的基本原理：离散伴随方法是基于流体动力学（CFD）的优化算法，它通过构建流场变量的伴随关系来解决优化问题。

简单来说，伴随方法通过计算流场变量的梯度的逆来寻找最优的设计参数，以此来达到气动性能最优化。

在透平叶栅设计中，这种方法可以帮助设计者识别哪些叶型参数对于提高气动性能最为关键，并据此进行调整。

在透平叶栅气动优化设计中的应用：1. 参数化建模：首先，利用计算机辅助设计（CAD）软件建立叶栅的参数化模型。

这个模型要能够准确地描述叶栅的几何特征，如弦长、安装角、掠射角等。

2. 流场模拟：然后，应用CFD软件对叶栅流场进行模拟。

通过数值求解雷诺平均N-S方程（RANS方程）或其他更高精度的湍流模型，得到叶栅流场的详细信息，如压力分布、速度分布、二次流情况等。

3. 建立伴随模型：接下来，建立气动性能参数（如效率、压力比、喘流损失等）与叶栅几何参数之间的伴随关系。

这通常涉及到复杂的偏微分方程的求解。

4. 优化计算：使用离散伴随算法进行优化计算。

在这个过程中，算法将自动调整叶栅的几何参数，以寻找最优设计。

优化过程中，计算机会不断地评估流场模拟结果和气动性能参数，直至找到最佳设计方案。

5. 结果验证与迭代：最后，对优化后的叶栅设计进行验证，通常是通过再次进行流场模拟来确认气动性能是否真正得到提升。

如果结果满意，设计即完成；如果不满意，则可能需要回到步骤2，重新进行流场模拟，或者调整优化算法参数，再次进行优化。

优势与挑战：离散伴随方法在透平叶栅气动优化设计中的优势在于能够在不进行大量昂贵实验的情况下，高效地找到最优或近似最优的设计方案。

然而，这种方法也有其挑战性，比如需要精确的流场模拟，对于计算资源和精度的要求很高，且优化过程中可能会遇到局部最优解的问题。

第53卷第1期2019年1月西安交通大学学报JOURNAL OF XP AN JIAOTONG UNIVERSITYVol. 53 No. 1Jan. 2019D O I：10. 7652/xjtuxb201901013叶栅叶型正反设计的伴随优化方法朱玉杰，琚亚平，张楚华(西安交通大学能源与动力工程学院&710049,西安）摘要：针对基于流场Navier-Stokes方程求解的叶栅叶型正反问题设计优化中，计算量随设计变量数目急剧增加的问题，采用伴随方法建立了集叶片几何参数化、网格生成、流场求解、伴随场求解与优化求解于一体的优化求解方法。

针对反问题设计中目标控制参数分布难以给定的问题，通过分析叶栅叶型正问题优化求解结果，给出了反问题优化求解所需的较优目标压力分布。

利用自主程序完成了以减弱或消除流动分离、提高叶栅气动性能为目的的叶栅叶型正、反问题自动优化求解，优化后的叶型叶栅总压损失系数分别降低了 5.69%、4.50%。

研究表明，叶栅叶型吸力面曲率的减小、叶片前加载和中后部逆压梯度的减小，可有效抑制叶片尾缘附近的流动分离。

该研究工作对发展高效宽工况叶栅叶型设计技术具有一定的参考价值。

关键词：叶栅叶型％半随方法；正问题；反问题；优化中图分类号：V2313 文献标志码：A文章编号：0253-987X(2019)01-0100-06Adjoint Optimization for Direct and Inverse Design of Cascade Blade ProfilesZH U Y ujie，JUYaping，ZHANG Chuhua(School of Energy and Power Engineering，Xi?an Jiaotong University，Xi?an 710049，China)A b s t r a c t：To overcome the problem that the calculation cost drastically increases with the designvariable number in Navier-Stokes equations based design optimization for direct and inversedesign of cascade blade profiles，an optimization system，including blade geometryparameterization，grid generation，flow solving，adjoint field solving and optimization，isestablished by means of the adjoint method.I n view of the problem that the target controlparameter distribution in the design of inverse problem is difficult to be defined，the targetpressure distribution of the present inverse design is given by analyzing the optimization result ofthe direct design.An in-house code is used to solve both direct and inverse problems of thecascade blade profile design for the purposes of reducing or eliminating the flow separation andimproving the aerodynamic performance.After optimization，the total pressure loss coefficientsof the cascades for the direct and inverse problems are reduced by5.69% and4.50%，respectively.The results show that the curvature of the blade suction surface profile is reduced，the blade is f ront-loaded and the pressure gradient after the blade middle chord is reduced，whicheffectively inhibits the flow separation near the blade trailing edge.This work provides areference for the design of cascade blade profiles with high efficiency.K e y w o r d s：cascade blade profile；adjoint method；direct problem；inverse problem；收稿日期：2018-03-28。

基于组合优化方法的平面叶栅优化设计朱国俊;罗兴锜;郭鹏程;戴辰辰【摘要】采用奇点分布法与贝塞尔(Bezier)曲线参数化方法相结合的平面叶栅设计方法进行叶栅的初步设计与参数化表达.该方法在完成设计的同时为基于现代优化算法的叶栅粘性流动最优化设计提供设计变量,以实现叶栅翼型的变形控制.然后结合N-S方程流场数值模拟,采用多目标遗传算法(NCGA)和序列二次规划法(NLPQL)组合的优化算法,通过调节叶栅翼型的形状控制参数对叶栅的总压损失和空化性能进行了优化.结果表明,优化效果良好.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2010(000)001【总页数】5页(P50-53,57)【关键词】贝塞尔曲线;平面叶栅;优化设计;多目标遗传算法;序列二次规划法【作者】朱国俊;罗兴锜;郭鹏程;戴辰辰【作者单位】西安理工大学水利水电学院,西安,710048;西安理工大学水利水电学院,西安,710048;西安理工大学水利水电学院,西安,710048;西安理工大学水利水电学院,西安,710048【正文语种】中文【中图分类】TK730.2水轮机的性能在很大程度上决定了整个电站的经济效益，而转轮作为整个水轮机的核心部件，其工作性能又影响着整个水轮机组的优劣，因此，转轮的设计及其优化在水轮机改进和提高的过程中具有不可替代的重要地位。

长期以来，人们力图通过理论计算设计出优良的转轮，但转轮内部的流动规律极为复杂，其流动参数和几何参数之间的关系也难以确定，所以试验技术和CFD数值模拟技术在转轮性能的改善过程中处于绝对地位。

而由于试验需要耗费大量的资金和时间，因此，“初始设计→CFD数值模拟→修改设计”的方法更被国内各大厂家所青睐。

但是在“修改设计”这一步多靠人工经验，缺乏计算机辅助优化，这也导致了该方法的设计周期变长。

近年来国内外流行的优化设计方法提供了新的叶片设计思路，即先通过初始设计方法设计出叶片的几何形状，然后将其表达成设计参数，而性能则表达成随设计参数变化的目标函数。