案例——離心壓氣機

離心式壓氣機有體積小、單級增壓比高等特點，廣泛應用于航空、船舶等領域的動力系統。葉輪是離心壓氣機的核心部分，是主要做功部件，其模型的變化對壓氣機性能有著關鍵的影響。我們選擇了一款現有的離心壓氣機葉輪模型，采用CAESES軟件結合CFD仿真工具，對其氣動性能進行優化。該離心壓氣機主要性能參數及葉輪模型如下所示：

工作介質	空氣
流量	0.8kg/s
轉速	100000r/min

                 該優化案例的優化目標為在轉速和流量保持不變的情況下，盡可能地提高效率和壓比

優化流程

對離心壓氣機葉輪的性能進行優化，首先需要控制其模型進行變化。CAESES提供了一個CAD環境，能夠高效的創建參數化模型并進行變形控制，方便靈活的生成多個不同的幾何模型。基于CAESES輸出的模型，可以在CFD軟件中構建自動化網格劃分及仿真分析流程，并通過CAESES軟件進行調用，提取仿真分析得到的性能結果。最后，設置CAESES里的優化算法，根據仿真分析的結果調整葉輪模型參數，對葉輪性能進行自動優化。例如，CAESES結合CFX軟件進行優化的典型流程如下：

模型的創建及變形控制

首先在CAESES軟件中構建全參數化葉輪模型，關鍵步驟如下：

1. 首先定義葉輪子午流道型線及前尾緣位置；

2. 流道可采用樣條曲線，直線+圓弧等多種形式，可按照不同需求定義流道型線參數（此處采用直線+圓弧形式）；

3. 之后可按照θ（包角）或β（切向角）分布曲線來生成葉片中弧線；

4.  沿葉片高度方向生成多條中弧線，即可組合生成葉片中弧面；

5.  基于中弧面給定葉片厚度分布曲線，即可生成葉片表面；

6.  同樣的可生成小葉片模型，并設置大小葉片間的角度差為參數。

部分參數變化示意：

    

    

仿真連接及自動優化

在CFD軟件中對葉輪進行單通道仿真計算，主要條件設置如下：

介質	理想氣體
湍流模型	SST
網格量	80萬
邊界條件類型	進口總壓+出口流量
轉速	100000r/min

計算過程中錄制網格創建、前處理、求解及后處理的一系列腳本文件，并在CAESES調用這些腳本，構建自動化仿真流程，并讀取仿真計算結果，如下圖所示：

采用CAESES中的Sobol算法進行初步優化，對七個關鍵參數進行控制，調用仿真軟件進行性能分析，共進行了30個模型的仿真計算。

優化目標：

? 效率提升

? 壓比提升

優化結果

最終得到的不同模型性能結果如下：

圖中紅圈標記的為得到的最優模型。優化模型和初始模型的結果對比如下，總壓比及效率都有明顯提升。

	初始模型	優化模型	提升比例
流量（kg/s）	0.8
總壓比	2.22	2.387	7.50%
效率	0.8757	0.9213	5.20%

優化模型與原始模型對比如下（綠色為原始模型，灰色為優化后模型）：

同時基于批量仿真分析的結果，我們可以對不同幾何參數對性能的影響趨勢進行評估：

總結

1. 通過CAESES結合CFD仿真軟件進行了壓氣機葉輪的初步優化，最終總壓比提升7.5%，效率提升5.2%；

2. 在CAESES中進行參數化建模，可高效精準地對葉輪模型進行優化調整；

3. 通過CAESES調用外部軟仿真件，可減少人工操作，實現自動化CFD仿真；

4. 基于CAESES的優化算法，可以判斷參數影響趨勢，自動調整模型變化，進行模型性能優化；

5. 后續可以構建壓縮機蝸殼參數化模型，進行壓縮機模型整體優化。

                                         

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