基于伴随理论和谐波平衡方法的多级叶轮机械非定常气动设计研究

Designing multistage turbomachinery with higher load, more compact structure, lower loss and wider stable range is one of the continuous research targets of internal flow research area. One of the reasonable approach to further improve performance is to consider the unsteady effects in the design system. In this project, numerical methods for unsteady adjoint optimization will be developed and unsteady adjoint optimization system will be founded, with which the adjoint optimization and flow mechanism of multistage turbomachinery unsteady flow will be studied. The main research contents include: 1). to develop fast-turnaround solution method for harmonic balance method based unsteady flow equation and unsteady adjoint equation, especially the highly unsteady flow which has high frequency and large number of harmonics. 2). to develop efficient solution method for the large scale ill-conditioned adjoint equations resulted from the multistage turbomachinery unsteady flow and construct the unsteady adjoint optimization system. 3). to optimize highly-loaded and real geometry multistage turbomachinery unsteady flow and analyze the unsteady flow mechanism using the unsteady adjoint sensitivity. To sum up, this project will develop a set of unsteady adjoint optimization methods for multistage turbomachinery and provide theoretical references and analysis tools, which help to improve the performance by considering the unsteady effect and analyze the flow mechanism with unsteady sensitivity information.

设计更高负荷、更紧凑结构、更低流动损失和更宽裕度的叶轮机械是内流气动热力学持续研究的主题之一。在气动设计体系中融合非定常效应这一多级叶轮机械的本质流动特征，是进一步提高性能的有效途径之一。本项目拟通过发展基础数值方法和建立非定常伴随设计理论，开展多级叶轮机械非定常流动伴随优化和非定常流动机理研究。主要研究内容包括：1）.发展基于谐波平衡方法，针对高折合频率和多谐波数的非定常流动及非定常伴随方程的快速求解算法。2）.面向多级叶轮机械，发展真实非定常流动大规模病态伴随方程组的稳定求解算法，建立非定常伴随设计体系。3）.开展真实几何多级高负荷叶轮机械非定常伴随优化；基于非定常敏感度信息，研究非定常流动机理。通过本研究，在基础数值算法方面将发展一套完整的多级叶轮机械真实非定常流动伴随设计理论和方法；在流动机理方面将为未来利用非定常效应改进性能、利用非定常敏感度信息研究流动机理提供理论支撑。

设计具有更高气动负荷和更低流动损失的叶轮机械是内流气动热力学的主要研究方向之一，在现有的定常设计优化方法的基础上，考虑由于多叶片排之间相互运动所造成的非定常流动的影响，有望扩展叶轮机械的设计空间并进一步提高多叶片排叶轮机械的性能。本项目针对叶轮机械的非定常设计优化这一课题，在发展非定常设计优化理论、开发非定常设计优化工具和内流非定常流动机理等三方面开展了研究。主要研究内容包括：1）.发展了基于谐波平衡方法，针对高折合频率和多谐波数的非定常流动及非定常伴随方程的快速求解算法。2）.面向多级叶轮机械，发展了真实非定常流动大规模病态伴随方程组的稳定求解算法，在此基础熵建立了非定常伴随设计体系。3）.开展了真实几何多级高负荷叶轮机械非定常伴随优化；基于URANS计算和混合RANS/LES等先进的高精度湍流模拟方法，研究叶轮机械典型非定常流动的流动机理和损失特性。通过本研究，发展了一套完整的多级叶轮机械真实非定常流动伴随设计理论和方法，针对多叶片排压气机、透平等开展的非定常伴随优化表明：基于伴随理论和谐波平衡方法的非定常伴随优化在精度和计算量上是可行的，同时相对于基于混合平面方法的定常优化，非定常优化的计算量可以接受且其明显拓展了设计空间，通过利用叶片排件的非定常干扰，非定常优化给出的最优设计相对于定常优化具有更好的性能。. 综上，本项目发展了适用于叶轮机械的非定常流动伴随优化算法和伴随优化体系，并基于非定常敏感度信息探索了非定常流动机理和性能优化。本研究为利用非定常效应改进叶轮机械性能提供了基础理论和方法支撑。