氣動(dòng)性能優(yōu)化的案例
【技術(shù)帖】軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能優(yōu)化
軸流式風(fēng)機(jī)通常用在流量要求較高而壓力要求較低的場(chǎng)合，由此軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能成為評(píng)判其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。
本文即將展示的是某軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能優(yōu)化的全流程介紹。通過(guò)對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的葉片和風(fēng)道進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化以提高其流量與效率。
01
優(yōu)化前準(zhǔn)備工作：
為了方便對(duì)葉片進(jìn)行調(diào)整，建立葉輪的全參數(shù)化模型，并將葉片分為六個(gè)控制截面來(lái)調(diào)整參數(shù)變化。之后設(shè)定參數(shù)變化規(guī)律或給定算法，在優(yōu)化軟件中會(huì)自動(dòng)生成不同模型并啟動(dòng)CFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。
021
優(yōu)化目標(biāo)：PQ性能與效率
模型優(yōu)化過(guò)程中，主要分為風(fēng)道及葉片的調(diào)整，調(diào)整內(nèi)容如下：
031
優(yōu)化過(guò)程：
首先我們?cè)谲浖?dāng)中建立全參數(shù)化的模型，然后優(yōu)化軟件設(shè)置中的參數(shù)以及參數(shù)變化范圍，接下來(lái)與CFD軟件進(jìn)行耦合，最后進(jìn)行全自動(dòng)的性能優(yōu)化。其中對(duì)于優(yōu)化參數(shù)部分，主要是對(duì)扇葉進(jìn)行優(yōu)化：有葉片的翼形、弦長(zhǎng)、三個(gè)方向的角度以及葉片數(shù)量，除此之外本次對(duì)風(fēng)道也進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化。
展開(kāi) 基于CFD 的新能源汽車?yán)鋮s風(fēng)扇氣動(dòng)性能仿真分析
摘要：以某新能源汽車的7葉片的冷卻風(fēng)扇為研究模型，通過(guò)STAR CCM+軟件中Realizable k-ε湍流模型對(duì)其進(jìn)行定常三維數(shù)值計(jì)算.首先進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)量的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證；然后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，并對(duì)冷卻風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)壓力與速度分布進(jìn)行了分析；最后分析了葉片個(gè)數(shù)參數(shù)對(duì)冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能的影響.結(jié)果表明：相同轉(zhuǎn)速的工況下，當(dāng)冷卻風(fēng)扇靜壓相同時(shí)，隨著葉片個(gè)數(shù)增多，其產(chǎn)生的流量越大.在冷卻風(fēng)扇的靜壓效率方面，在風(fēng)扇靜壓170-200 Pa左右時(shí)，9葉片風(fēng)扇靜壓效率最高.在其他靜壓區(qū)間，當(dāng)葉片數(shù)為7、8時(shí)，風(fēng)扇靜壓效率要高于9葉片風(fēng)扇.研究可以為新能源汽車?yán)鋮s風(fēng)扇氣動(dòng)性能優(yōu)化提供依據(jù).
近些年新能源汽車在中國(guó)發(fā)展迅速，新能源汽車的電子冷卻風(fēng)扇是整車熱管理重要組成部分，電子冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)要滿足電驅(qū)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)的冷卻需求；同時(shí)，電子冷卻風(fēng)扇也會(huì)對(duì)新能源汽車的NVH性能影響很大.因此，設(shè)計(jì)出冷卻性能好與低噪音的電子冷卻風(fēng)扇是至關(guān)重要的.CFD仿真分析技術(shù)的出現(xiàn)可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)降低開(kāi)發(fā)成本，更可以從機(jī)理上研究冷卻風(fēng)扇的流動(dòng)細(xì)節(jié)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到冷卻風(fēng)扇的開(kāi)發(fā)中.當(dāng)前對(duì)冷卻風(fēng)扇的研究主要集中在輪轂比、葉片個(gè)數(shù)、葉頂間隙、葉片安裝角與葉片形狀等方面對(duì)冷卻風(fēng)扇性能的影響.
展開(kāi) 基于CAESES的超臨界二氧化碳（sCO2）軸流透平葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
在CAESES中使用DAKOTA全局優(yōu)化算法，進(jìn)行透平葉片氣動(dòng)性能優(yōu)化。
透平葉片的表面曲率對(duì)亞音速機(jī)翼的壓力分布有重大影響，因此CAESES中創(chuàng)建了獨(dú)特的曲率識(shí)別功能，并將其作為約束，從而在保證參數(shù)變化靈活性的同時(shí)，保持曲率分布合理過(guò)渡。下圖顯示了擬合后葉片型線輪廓的曲率分布，其中位置0表示壓力面的尾緣，位置1表示吸力面的尾緣。
*葉型表面單調(diào)曲率分布
通過(guò)曲率分布的導(dǎo)數(shù)能夠評(píng)估曲率的單調(diào)性，將曲率分析劃分為不同的區(qū)域，并設(shè)置約束條件來(lái)判斷這些區(qū)域的單調(diào)性，下圖顯示了違反曲率約束的示例（以紅色顯示）。CAESES中能夠采用光順程序進(jìn)行曲線曲率分布的自動(dòng)光順（僅適用于B樣條曲線）。
軸流透平葉片的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化
透平葉片優(yōu)化是為了最大程度地減少葉片氣動(dòng)損失。在CAESES軟件中調(diào)整曲線控制點(diǎn)和CST變換參數(shù)，并且將曲率單調(diào)性作為約束，采用DAKOTA的優(yōu)化方法進(jìn)行葉片氣動(dòng)性能優(yōu)化。將透平葉片損失系數(shù)Y2-norm定義為相對(duì)于原始葉片損失系數(shù)的歸一化相對(duì)值，即每一個(gè)新葉片模型損失除以原始葉片模型損失的比值。
B樣條方法中，每個(gè)控制點(diǎn)的參數(shù)變化都在與基準(zhǔn)值相差0.05毫米范圍內(nèi)。此方法不同方案的相對(duì)葉片損失如下圖所示。其中最小相對(duì)葉片損失為Y2-norm= 0.85，這意味著與初始葉片模型相比，損失減少了15％。
*B樣條優(yōu)化的相對(duì)葉片損失
對(duì)于CST方法，幾何形狀的變化分布在整個(gè)葉片表面上，參數(shù)變化范圍超過(guò)70％.不同方案的相對(duì)葉片損失如下圖所示，優(yōu)化后最小相對(duì)葉片損失為0.83，表明該設(shè)計(jì)葉片損失相較于原始模型減少了17％.與B樣條方法，CST方法的變形覆蓋了更多的設(shè)計(jì)空間。
展開(kāi) STAR-CCM+計(jì)算二維翼型氣動(dòng)性能
STAR-CCM+計(jì)算二維翼型氣動(dòng)性能
一
算例背景
機(jī)翼理論主要研究翼型在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的力學(xué)特性。在工程領(lǐng)域中，機(jī)翼以升力面、控制面、葉片或槳葉等形式出現(xiàn)。艦船上的舵、水翼、減搖鰭等都是機(jī)翼，螺旋槳、汽輪機(jī)葉片和壓縮機(jī)葉片也都是利用機(jī)翼原理工作的，而在研究船舶操縱性時(shí)，甚至還可把船體的水下部分看作一個(gè)巨大的機(jī)翼。
隨著航空科學(xué)的發(fā)展，世界各主要航空發(fā)達(dá)的國(guó)家建立了各種翼型系列。美國(guó)有NACA系列，德國(guó)有DVL系列，英國(guó)有RAF系列，蘇聯(lián)有ЦΑΓИ系列等。這些翼型的資料包括幾何特性和氣動(dòng)特性，可供氣動(dòng)設(shè)計(jì)人員選取合適的翼型。
展開(kāi) 
襟翼氣動(dòng)載荷測(cè)量方法優(yōu)化
3
計(jì)算方法、測(cè)壓孔布置方案和插值方法
1) 計(jì)算方法
如圖1所示，取襟翼展向上任一橫截面，則該橫截面所受展向單位氣動(dòng)載荷包括阻力FX、升力FY和鉸鏈軸力矩M。其中，F(xiàn)X和FY可通過(guò)式（1）轉(zhuǎn)化為沿弦向（x方向）的分力即弦向力Fx和垂直于弦向力（y方向）的垂向力Fy。
圖1 襟翼展向某橫截面所受氣動(dòng)載荷示意圖
由于對(duì)低速流體氣動(dòng)力問(wèn)題已有較成熟的CFD技術(shù)，因此本文認(rèn)為CFD計(jì)算結(jié)果能夠很好地反映低速風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)壓數(shù)據(jù)，并假定測(cè)壓孔對(duì)襟翼氣動(dòng)性能的影響可以忽略不計(jì)。首先基于CFD數(shù)據(jù)，將壓力在襟翼橫截面邊界所圍成的封閉曲線上進(jìn)行第二類曲線積分，得到單位展長(zhǎng)襟翼所受垂向力和鉸鏈軸力矩作為參考值；然后在襟翼橫截面邊界所圍成的封閉曲線上從前緣點(diǎn)開(kāi)始順時(shí)針取測(cè)壓孔位置并插值得到這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值作為測(cè)壓孔測(cè)得壓力數(shù)據(jù)，將測(cè)壓孔數(shù)據(jù)重新在封閉曲線上插值并進(jìn)行第二類曲線積分得到單位展長(zhǎng)襟翼所受垂向力和鉸鏈軸力矩測(cè)量值；最后通過(guò)相對(duì)誤差來(lái)考察該測(cè)壓孔布置方案的測(cè)量準(zhǔn)確度。
2) 襟翼壓力分布規(guī)律
圖2和圖3比較了不同迎角和不同橫截面的襟翼壓力沿弦向分布的規(guī)律。
展開(kāi) 陳珂，等：天然氣管道摻氫輸送對(duì)離心壓縮機(jī)氣動(dòng)性能的影響
Meira等[11]擴(kuò)展了美國(guó)航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提出的沖擊損失理論，考慮到壓縮機(jī)內(nèi)部的單向可壓縮流，結(jié)合索阿韋-雷德利希-鄺氏（Soave-Redlich-Kwong，SRK）和貝內(nèi)迪克特-韋德-魯賓（Benedict-Webb-Rubin，BWR）兩種狀態(tài)方程對(duì)壓縮機(jī)模型進(jìn)行修正，該模型對(duì)于壓縮機(jī)摻氫后的性能預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。
綜上，目前采用 CFD 軟件研究摻氫比例對(duì)天然氣管網(wǎng)性能的影響已較為普遍，但天然氣管道摻氫比對(duì)壓縮機(jī)性能影響的研究主要采用相似理論，這需要壓縮機(jī)流動(dòng)完全相似；而天然氣摻氫會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)工質(zhì)物性的變化，降低了摻氫后壓縮機(jī)的性能預(yù)測(cè)精度。因此，為了提高天然氣管道摻氫輸送的安全性和可靠性，深入探究天然氣摻氫后對(duì)離心壓縮機(jī)氣動(dòng)性能和喘振裕度的影響尤為重要。根據(jù)現(xiàn)有川氣東送管道的GE PCL503 天然氣壓縮機(jī)實(shí)測(cè)工況數(shù)據(jù)[12-13]和搜集到的主要幾何尺寸，對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)學(xué)建模，利用數(shù)值模擬手段分析了不同摻氫比、環(huán)境溫度下壓縮機(jī)內(nèi)部的三維流場(chǎng)，重點(diǎn)研究不同天然氣摻氫比對(duì)離心壓縮機(jī)氣動(dòng)性能和喘振邊界的影響，以期為天然氣摻氫管網(wǎng)的安全運(yùn)行、管網(wǎng)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)及選型提供理論指導(dǎo)。
1 模型建立
1.1
幾何模型
依據(jù)目前公開(kāi)發(fā)表論文中的關(guān)于 GE PCL503 壓縮機(jī)各工況點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12-13]和搜集到的主要幾何尺寸（表 1），采用 Concepts NREC 軟件對(duì)該壓縮機(jī)進(jìn)行一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)及三維幾何建模。
展開(kāi) 【12月17日項(xiàng)目懸賞】
【單號(hào)6777】
預(yù)算范圍：2000
使用軟件：optislang
需求描述：簡(jiǎn)單培訓(xùn)，讓我學(xué)會(huì)使用optislang 對(duì)離心葉輪進(jìn)行初步的氣動(dòng)性能優(yōu)化，掌握優(yōu)化的流程。
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【單號(hào)6823】
預(yù)算范圍：800
使用軟件：Abaqus
需求描述：做一個(gè)顆粒壓縮的模型，(等離子放電燒結(jié))，通過(guò)上下電極放電 產(chǎn)生熱量，然后對(duì)顆粒加熱
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【單號(hào)6826】
預(yù)算范圍：2000
使用軟件：matlab
需求描述：推導(dǎo) 考慮振動(dòng)影響下，球頭銑刀刃線軌跡方程
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【單號(hào)6837】
預(yù)算范圍：1500
使用軟件：MATLAB/carsim
需求描述：針對(duì)純電動(dòng)車acc系統(tǒng)，搭建控制模型并且仿真。熟悉輔助駕駛類的可以詳聊
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展開(kāi) 樹(shù)優(yōu)公司-XFlow培訓(xùn)-無(wú)網(wǎng)格CFD-1-車身外流氣動(dòng)性能
物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程和自由液面流場(chǎng)變化
樹(shù)優(yōu)公司-Sculptor-網(wǎng)格變形-車身外流場(chǎng)優(yōu)化.pdf
【12月3日項(xiàng)目懸賞】
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【單號(hào)6777】
預(yù)算范圍：2000
使用軟件：optislang
需求描述：簡(jiǎn)單培訓(xùn)，讓我學(xué)會(huì)使用optislang 對(duì)離心葉輪進(jìn)行初步的氣動(dòng)性能優(yōu)化，掌握優(yōu)化的流程
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【單號(hào)6802】
預(yù)算范圍：2000
使用軟件：abaqus
需求描述：巖土分析，CAE模型已經(jīng)建好，運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)，不會(huì)修改錯(cuò)誤信息，材料屬性報(bào)錯(cuò)提示，邊界條件報(bào)錯(cuò)，荷載報(bào)錯(cuò)，很多報(bào)錯(cuò)，不會(huì)修改，太麻煩
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展開(kāi) Xflow助力飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)
【12月10日項(xiàng)目懸賞】
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【單號(hào)6777】
預(yù)算范圍：2000
使用軟件：optislang
需求描述：簡(jiǎn)單培訓(xùn)，讓我學(xué)會(huì)使用optislang 對(duì)離心葉輪進(jìn)行初步的氣動(dòng)性能優(yōu)化，掌握優(yōu)化的流程
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【單號(hào)6820】
預(yù)算范圍：500
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需求描述：鋼混組合結(jié)構(gòu)，研究剪力釘?shù)目辜?em>性能，做推出試驗(yàn)，想要調(diào)整結(jié)果的位移荷載曲線，得出下降段
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展開(kāi) 
高性能變幾何渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究 哈爾濱工程大學(xué)高杰
來(lái)源：熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)與流體機(jī)械
基于新型高維代理模型的高效全局氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
而PCA-Kriging模型相對(duì)于Kriging模型并沒(méi)有顯著優(yōu)勢(shì)，以至于其在優(yōu)化設(shè)計(jì)中難以被使用。尤其Kriging方法在設(shè)計(jì)變量維數(shù)大于118后預(yù)測(cè)精度急劇變差；而KPCA-Kriging方法此時(shí)預(yù)測(cè)精度仍然保持在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)，并且預(yù)測(cè)誤差明顯小于Kriging方法和PCA-Kriging的預(yù)測(cè)誤差。
圖2 CRM機(jī)翼在不同設(shè)計(jì)變量數(shù)時(shí)的FFD框圖示
圖3 KPCA-Kriging與Kriging模型驗(yàn)證誤差隨設(shè)計(jì)維數(shù)變化曲線
圖4 KPCA-Kriging 模型驗(yàn)證誤差隨選擇的有效維數(shù)變化曲線（118維設(shè)計(jì)變量）
2）建立了基于SN-DRSM的高效全局氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并在復(fù)雜跨聲速氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用和驗(yàn)證。
針對(duì)AIAA氣動(dòng)優(yōu)化討論組發(fā)布的NACA0012無(wú)黏優(yōu)化算例，采用基于自適應(yīng)空間擴(kuò)展(ADE)的代理優(yōu)化框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。ADE能自動(dòng)選擇拓展后緣邊界的樣本，減少迭代優(yōu)化的次數(shù)，從而顯著提高優(yōu)化效率。優(yōu)化結(jié)果分別記為ADE-Kriging和ADE-KPCA-Kriging。結(jié)果顯示，基于ADE的兩種優(yōu)化方法阻力保持了持續(xù)的下降，直到150步以后接近收斂，而基于固定設(shè)計(jì)空間的方法在50次迭代后就已經(jīng)收斂，阻力值不再下降。并且基于自適應(yīng)設(shè)計(jì)空間擴(kuò)展的代理優(yōu)化方法獲得了更低的阻力值，其中基于
KPCA-Kriging模型的優(yōu)化方法獲得了最低的阻力系數(shù)42 counts
，小于基于ADE-Kriging和Kriging優(yōu)化方法的收斂得到的阻力值。并且
優(yōu)化翼型前緣壓縮和后緣恢復(fù)，后緣激波變?nèi)酰瑝毫Ψ植几吔皩?duì)稱”
。如圖5至圖9所示。
展開(kāi) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化在車身剛度性能優(yōu)化中的應(yīng)用
車身性能開(kāi)發(fā)金字塔的最底層是消費(fèi)者最易感知的性能，即操穩(wěn)性能，而操穩(wěn)性能直接相關(guān)的就是車身的整體剛度性能。（車身扭轉(zhuǎn)剛度、區(qū)域剛度是和車身操穩(wěn)性能相關(guān)的，因此車身扭轉(zhuǎn)剛度的性能目標(biāo)應(yīng)該滿足操穩(wěn)性能要求，也應(yīng)該由操穩(wěn)性能需求來(lái)定義。）
通常更高的車身剛度性能對(duì)于操穩(wěn)、NVH、耐久性能是有益的，那是不是說(shuō)為了提升上述相關(guān)性能可以過(guò)度提高剛度性能呢？當(dāng)然不是，剛度性能提升是要滿足結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，即通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提升材料有效利用率，而不是靠粗暴地堆疊材料來(lái)提升剛度性能。在提升剛度性能時(shí)還要考慮輕量化要求，只有通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)才能夠在滿足剛度性能要求時(shí)，同時(shí)滿足動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的要求。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括拓?fù)?em>優(yōu)化、形狀優(yōu)化等方法在優(yōu)化車身性能中具有非常重要的作用。拓?fù)?em>優(yōu)化可以合理優(yōu)化材料分布，識(shí)別車身結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)。形狀優(yōu)化進(jìn)一步優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)形狀提升材料效率。
以上包括本田、雷諾、沃爾沃、標(biāo)志、尼桑、寶馬、雷克薩斯、斯柯達(dá)、歐寶等車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中拓?fù)?em>優(yōu)化在結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化中的案例。
實(shí)際案例：
拓?fù)?em>優(yōu)化：
針對(duì)車身后端包括C、D柱、dog leg區(qū)域進(jìn)行拓?fù)?em>優(yōu)化分析，識(shí)別結(jié)構(gòu)弱區(qū)域。根據(jù)拓?fù)?em>優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：
原方案：
方案1：重新設(shè)計(jì)C環(huán)結(jié)構(gòu)
方案2：增加bulk head
這里就不在贅述其他方案，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)果可以識(shí)別的方案一般包括增加加強(qiáng)件、增加Bulk head、增加焊點(diǎn)、修改形狀特征、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化等。通過(guò)以上方案驗(yàn)證，可以提升扭轉(zhuǎn)剛度性能12%左右，同時(shí)減重0.8Kg。驗(yàn)證扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能提升2.3Hz。
展開(kāi) 【11月26日項(xiàng)目懸賞】
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預(yù)算范圍：2000
使用軟件：optislang
需求描述：線上培訓(xùn)-optislang 對(duì)離心葉輪進(jìn)行初步的氣動(dòng)性能優(yōu)化，掌握優(yōu)化的流程
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【單號(hào)6773】
預(yù)算范圍：5000
使用軟件：Ansys apdl
需求描述：核安全級(jí)設(shè)備分析培訓(xùn)。基于rccm或gb16702，軟件平臺(tái)為ansys apdl的核安全級(jí)設(shè)備（壓力容器，閘門(mén)，換熱器），受輻照條件下的力學(xué)分析，熱傳導(dǎo)分析等。
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【單號(hào)6771】
預(yù)算范圍：2000
使用軟件：fluent或comsol（盡量用fluent）
需求描述：
溫度場(chǎng)與氣流場(chǎng)耦合。幾何結(jié)構(gòu)如圖所示，近似是一個(gè)封閉空間（進(jìn)出口幾乎可以忽略）。其中圓柱空間半徑8.5m，高6m（具體尺寸可能有所變化，幾何結(jié)構(gòu)我這里已經(jīng)做好）。內(nèi)部有一個(gè)類似風(fēng)洞的小圓柱體，使其在半徑為6m的圓周上進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的圓周運(yùn)動(dòng)，計(jì)算流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合情況下其內(nèi)部的流場(chǎng)均勻性、品質(zhì)和溫升情況。
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【單號(hào)6772】
預(yù)算范圍：500-1000
使用軟件： ANSYS workbench fluent
需求描述：鋁合金攪拌摩擦焊流體分析，按例題做了一部分，還是有些問(wèn)題搞不明白，模型已建好。
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