气动参数全局寻优伴随方法及其多排叶轮机应用基础研究

鉴于伴随方法优化计算量与设计变量数目基本无关的优势以及叶轮机设计日益复杂导致常规优化方法计算量大的现状，使得将二者结合成为重要发展方向。本项目从当前伴随方法尚未涉及气动自由度、全局寻优能力不足以及面向叶轮机应用尚未解决多排非定常优化三个问题出发，研究几何/气动自由度下多排叶轮机定常伴随优化理论，解决固壁边界和排间界面引入气动参数作为设计变量的问题；采用"两步优化"先使初值在全局最优解附近再伴随方法寻优，实现伴随方法全局寻优能力；基于非线性频域方法研究包含叶片振动影响的多排叶轮机通用伴随优化理论，着重解决非线性频域框架下排间界面处伴随变量的守恒处理方法，研究气动/气弹一体化优化流程中流场、伴随场、梯度的高精度/高效求解方法。在此过程中，逐步完成多排叶轮机通用伴随优化程序并进行验证。推动全三维、非定常等设计技术步入工程应用，为不断提高叶轮机性能提供理论指导和技术支撑。

鉴于伴随方法优化计算量与设计变量数目基本无关的优势以及叶轮机设计日益复杂导致常规优化方法计算量大的现状，使得将二者结合成为重要发展方向。本项目从当前伴随方法尚未涉及气动自由度、全局寻优能力不足以及面向叶轮机应用尚未解决多排非定常优化三个问题出发，研究几何/气动自由度下多排叶轮机定常伴随优化理论，解决固壁边界和排间界面引入气动参数作为设计变量的问题；基于设计体系先使初值在全局最优解附近再伴随方法寻优，实现伴随方法全局寻优能力，并实现了大量应用。主要研究及成果如下：.1)以一维变截面Euler方程为约束方程，推导出一维伴随方程及其敏感性关系，为伴随方法深入研究奠定了基础；.2)开发了多排叶轮机定常伴随方法程序，采用公开文献算例进行了给定压强分布目标函数模式的验证；.3)发展了多排叶轮机定常伴随优化的气动参数（排间静压、气流角）约束功能，保证了优化在传统设计系统界定的局域内进行，因而寻优具有全局性;.4)推导了任意出口边界形状的伴随方法，将所开发伴随优化程序拓展应用于离心压气机全三维优化，取得良好效果;.5)在前期仅以叶片吸力面周向坐标为参数的伴随方法基础上，添加叶片厚度作为优化参数，考虑叶片厚度分布选择对叶轮机气动性能影响;.6)提出了以伴随优化实施三维叶片反问题设计的策略，以及正、反问题模式耦合应用的叶轮机设计优化方法;.7)提出了伴随优化主导的超跨音涡轮弱化激波设计方法;.8)伴随优化研究过程加深了叶轮机复杂流动认识，分别前缘边条叶片、叶身/端壁融合技术，进一步提出了以关注端区流动组织为特征的第三代三维叶片技术。. 项目执行期间共发表论文52篇，其中SCI期刊文章3篇(2篇刊登，1篇录用)，EI文章28篇，会议论文21篇。参加国际学术会议4次，国内学术会议4次。申请专利6项，已授权5项。项目执行期间，受自然基金委工程三处委托，组织承办我国气动热力学十三五规划研讨会1次。. 本项目圆满实现了预期目标，所开发多排叶轮机通用伴随优化程序已获中航集团606、608、624研究所进一步资助，并已成功用于多种预研、型号设计中，为伴随方法在我国叶轮机内流领域全面推广应用奠定了坚实基础。