葉輪機(jī)械葉片幾何形狀最佳氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)的新方法

從葉輪機(jī)械原理和流動(dòng)理論出發(fā)，提出葉片幾何形狀最佳氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)的目標(biāo)泛函J，該目標(biāo)泛函體現(xiàn)了耗散能量最小和外力作功最?。ㄈ鐗簹鈾C(jī)），是全物理、全三維的。運(yùn)用大量的張量分析，將目標(biāo)泛函J轉(zhuǎn)換為葉片幾何形狀S的函數(shù)，得到關(guān)于葉片幾何形狀最優(yōu)控制問題的歐拉-拉格朗日方程，其狀態(tài)方程為三維Navier-Stokes方程。通過研究最優(yōu)控制問題數(shù)值求解的新方法和高效求解N-S方程的新算法，最終實(shí)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成具有最小能量損失的高效新型葉輪機(jī)械葉片。本項(xiàng)目中提出全新的目標(biāo)泛函及相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法，解決了傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)方法的各種物理假設(shè)和最佳流動(dòng)分布的確定，它體現(xiàn)了數(shù)學(xué)、力學(xué)、葉輪機(jī)械三個(gè)學(xué)科的交叉，從創(chuàng)新性源頭上提出了設(shè)計(jì)葉片幾何形狀的新理論、新方法，是一種科學(xué)探索。 2100433B

葉輪機(jī)械包括汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、離心式壓縮機(jī)、軸流式壓氣機(jī)等，提高其氣動(dòng)性能的重要性不言而喻，實(shí)驗(yàn)研究一直是必不可少的研究手段之一。在工作過程中，筆者發(fā)現(xiàn)缺少介紹葉輪機(jī)械氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)研究的專業(yè)書籍，于是結(jié)合多年的研究基礎(chǔ)，整理撰寫了《葉輪機(jī)械氣動(dòng)性能的實(shí)驗(yàn)研究方法》一書。

本書系統(tǒng)地介紹了葉輪機(jī)械氣動(dòng)性能的實(shí)驗(yàn)原理、專業(yè)測(cè)試工具的使用方法、目前先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的專業(yè)分析方法?？偨Y(jié)和提出多種葉輪機(jī)械氣動(dòng)性能的實(shí)驗(yàn)方案，分析了其中的關(guān)鍵問題，并探討了解決這些問題的手段和方法，給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方法。

在本書的撰寫過程中，王曉放教授對(duì)本書的內(nèi)容提出了很多寶貴的意見，在此特別感謝。同時(shí)也要感謝對(duì)本書給予極大關(guān)注的研究所的同事們，更要感謝“985”學(xué)科經(jīng)費(fèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)建設(shè)及本書出版的支持。

由于本人的水平有限，不免有錯(cuò)誤和不足之處，懇請(qǐng)廣大讀者給予批評(píng)指正。

田夫大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院2013年10月

高氣動(dòng)負(fù)荷下葉輪機(jī)械內(nèi)部諸如激波、激波-附面層干涉、跨/超音速流、局部和大尺度分離流等典型流動(dòng)對(duì)葉片幾何的細(xì)微變化較為敏感。對(duì)此，采用盡可能多的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)施精細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化三維葉片型面形狀，能夠降低葉輪機(jī)械流動(dòng)損失和進(jìn)一步挖掘葉輪機(jī)械氣動(dòng)性能潛力。常規(guī)基于三維流動(dòng)分析的葉輪機(jī)械葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)在多設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)面臨難以承受的計(jì)算成本。本項(xiàng)目采用計(jì)算量較少的伴隨方法發(fā)展葉輪機(jī)械氣動(dòng)優(yōu)化方法，在多設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)能以較低的計(jì)算成本實(shí)施三維葉片精細(xì)化設(shè)計(jì)。圍繞基于伴隨方法的梯度計(jì)算模型、氣動(dòng)伴隨優(yōu)化一體化方法和內(nèi)流設(shè)計(jì)應(yīng)用探索研究等，先后開展了：基于連續(xù)型伴隨方法、完全粘性N-S方程、S-A湍流模型和H型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的氣動(dòng)形狀精細(xì)設(shè)計(jì)研究；基于離散型伴隨方法/第三類伴隨方法、完全粘性N-S方程、S-A湍流模型和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的氣動(dòng)形狀精細(xì)設(shè)計(jì)研究；初步探索了連續(xù)型、離散型和第三類伴隨方法的混合研究，包括混合途徑、線性加權(quán)系數(shù)、伴隨方程性質(zhì)等；基于伴隨方法的氣動(dòng)形狀精細(xì)設(shè)計(jì)工具開發(fā)及面向內(nèi)流領(lǐng)域的初步應(yīng)用探索研究等工作。這一過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用理論推導(dǎo)與分析、數(shù)值工具研發(fā)、對(duì)比分析與驗(yàn)證等途徑發(fā)展了基于伴隨方法的梯度計(jì)算模型（包括目標(biāo)函數(shù)、流動(dòng)方程及其邊界條件、伴隨方程及其邊界條件、梯度計(jì)算式等），初步分析了伴隨方程定解條件的數(shù)學(xué)、數(shù)值和物理性質(zhì)，建立了基于多種伴隨方法的氣動(dòng)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)一體化方法（包括幾何參數(shù)化、網(wǎng)格生成和變形、流場(chǎng)數(shù)值求解、伴隨場(chǎng)數(shù)值求解、梯度計(jì)算和優(yōu)化尋優(yōu)等），并開發(fā)了氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，夯實(shí)了面向內(nèi)流氣動(dòng)形狀精細(xì)設(shè)計(jì)的伴隨方法基礎(chǔ)研究并努力推動(dòng)其應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。 2100433B

全書共分8章，第1章為熱力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，是氣動(dòng)性能參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)。第2章為氣流壓力和速度測(cè)量技術(shù)，討論了三孔探針和五孔探針的使用方法，以及各種先進(jìn)的氣流速度測(cè)量技術(shù)。第3章為氣流溫度測(cè)量技術(shù)。第4章為常用傳感器及其參數(shù)測(cè)試。第5章為誤差分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，重點(diǎn)介紹了誤差傳遞理論在葉輪機(jī)械實(shí)驗(yàn)方案規(guī)劃和精度分析中的應(yīng)用。第6章為軸流式葉輪機(jī)械的實(shí)驗(yàn)方案，列舉了平面葉柵實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析方法、級(jí)間流場(chǎng)測(cè)試方案及注意事項(xiàng)。第7章為離心壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究方法，著重介紹了葉片表面壓力的動(dòng)態(tài)測(cè)試、旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的氣流參數(shù)測(cè)試、空間流場(chǎng)的非定常速度和壓力測(cè)試、壓縮機(jī)葉輪表面壓力的動(dòng)態(tài)測(cè)試。第8章為通風(fēng)機(jī)的性能實(shí)驗(yàn)，介紹了通風(fēng)機(jī)的整機(jī)和部件氣動(dòng)性能的實(shí)驗(yàn)方法。

本書適合從事葉輪機(jī)械氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員，也可以作為能源與動(dòng)力專業(yè)本科生和碩士研究生專業(yè)課的教材和指導(dǎo)書。