在渦輪的氣動設(shè)計過程中，因設(shè)計需求變更導(dǎo)致的渦輪葉片優(yōu)化迭代較多。目前CFD仿真技術(shù)應(yīng)用廣泛，在葉輪機設(shè)計領(lǐng)域更有多款單獨的仿真軟件。而因造型參數(shù)較多（單個葉片30個以上），渦輪葉片的優(yōu)化工作還是較為耗時繁瑣，往往只有經(jīng)驗豐富的工程師才能合理把握進度。

本次分享的輸入條件為單級渦輪葉片，針對轉(zhuǎn)子葉片進行參數(shù)優(yōu)化仿真。整個優(yōu)化仿真過程依賴于CAESES仿真優(yōu)化軟件進行，主要分為CAESES參數(shù)化建模、制定仿真優(yōu)化方案、CFX仿真及腳本錄制、軟件鏈接優(yōu)化仿真四大步驟，希望本人的淺析能為大家在葉輪機葉片優(yōu)化仿真方面帶來幫助。

一、CAESES參數(shù)化建模

本方案葉型采用基于Nurbs曲線的方法進行參數(shù)化造型，包含了前/尾緣圓弧、Nurbs曲線（5個控制點）、角度、位置等參數(shù)共21個（主要參數(shù)如圖2所示）。該造型方法具有光順連接、靈活多變、完全可調(diào)等特點，較為適合直拉式葉片的設(shè)計。

在CAESES建模過程中，采用“Feature”功能實現(xiàn)葉型參數(shù)化設(shè)計，基于“Curve Engine”進行參數(shù)控制，最終通過“Meta Surface”曲面造型功能實現(xiàn)基于參數(shù)曲線的三維葉片造型。參數(shù)曲線以及相應(yīng)的三維葉片如圖3所示，此模型可通過參數(shù)曲線的調(diào)節(jié)控制模型的形狀變化。

二、仿真優(yōu)化方案

由于三維葉片造型參數(shù)較多，本方案采用等截面葉柵的方式對葉片進行優(yōu)化。仿真優(yōu)化方案如圖4所示，在CAESES參數(shù)化模型進行上，在不同葉高位置截取葉型，由直拉的方式得到等截面葉柵（如圖5所示），通過等截面葉柵葉型氣動優(yōu)化間接實現(xiàn)三維葉片的優(yōu)化。

三、軟件鏈接優(yōu)化仿真

網(wǎng)格生成工具采用Turbo_Grid，仿真軟件采用CFX，參數(shù)化建模、網(wǎng)格生成、計算調(diào)試過程分別生成了“curve”數(shù)模、網(wǎng)格“tse”腳本、計算“pre”腳本和后處理“cse”等文件，以上均為軟件鏈接準(zhǔn)備工作，整個仿真優(yōu)化流程如圖6所示。使用CAESES強大的外部軟件鏈接功能，即可將通過輸入/輸出文件將三部分的仿真軟件進行串聯(lián)。

CAESES包含許多優(yōu)化算法，本輪方案采用Sobol算法對兩個自變量參數(shù)（前/尾圓角度）進行篩選，初步擬定了21套模型進行優(yōu)化對比（如圖8所示），優(yōu)化目標(biāo)為出氣角。仿真迭代共耗時1天，通過仿真結(jié)果排序，優(yōu)化效果較為明顯，在轉(zhuǎn)子出口總壓（108.8kpa）不變的情況下，出氣角由初始方案的21.6°調(diào)整為了-3.4。

由仿真結(jié)果可知，尾緣偏轉(zhuǎn)角對出氣角表現(xiàn)出了良好的單調(diào)影響趨勢，出氣角度的主要影響因素。同時通過流場對比，葉柵的優(yōu)化結(jié)果與三維葉片吻合良好。

通過本輪方案的優(yōu)化仿真，可見CAESES軟件對于部件級優(yōu)化有非常好的優(yōu)勢，合理選擇仿真工具以及優(yōu)化參數(shù)，可快速高效地達到仿真優(yōu)化目標(biāo)。于此同時，還降低了仿真優(yōu)化工作對于工程師的技術(shù)水平要求。

                                                                      仿真優(yōu)化數(shù)據(jù)

                                                                        絕對速度流線圖

                                                            性能曲線圖（隨尾緣角變化）

                                                                優(yōu)化方案對比

                                                               優(yōu)化方案對比（三維）