涡轮多学科优化设计综述

2014-04-16韩晓鑫哈尔滨东安发动机集团有限公司

经济技术协作信息 2014年15期

韩晓鑫/哈尔滨东安发动机（集团）有限公司

涡轮多学科优化设计综述

韩晓鑫/哈尔滨东安发动机（集团）有限公司

航空发动机涡轮设计技术涉及热力学、流体力学、固体力学、传热学、燃烧学、结构强度、机械设计、材料学、制造工艺学以及控制科学等学科领域。此项工作的意义在于可实现理论计算、工程设计、试验验证和发动机试车验证等完整的工程过程，达到通过试验验证计算。

涡轮；多学科优化设计；流、固、热耦合

一、背景

涡轮是航空燃气涡轮发动机核心机的三大核心部件之一，因此，涡轮的设计直接关系到发动机的整体性能。涡轮在十分恶劣的环境下工作，承受着高温、高压和高转速的工作负荷，以满足性能要求并确保可靠运行。传统设计是为了使各项性能达到目标要求，而不是寻找最优的解，并且忽视了工程系统中各学科之间的耦合效应，不能利用各学科的发展成果。近年来，为了设计出高性能的涡轮，在涡轮气动设计就必须考虑温度和载荷对尺寸的影响，也就是要进行流、固、热耦合的计算研究。

二、国内外发展动态及水平的综述

国内外已在涡轮多学科气动优化设计方面进行了大量的工作。目前出现的多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization,简称MDO）技术具有无可比拟的优势。

MDO的基本目的是利用现有计算机学科模拟分析技术和分布并行计算网络资源，充分探索理解各学科（子系统）的相互作用，获得工程系统整体最优解，同时还要实现各学科的并行设计。MDO是一种并行工程思想在设计阶段的具体体现和实施技术。其主要内容主要包括：1）面向设计的多学科分析设计的软件集成；2）有效的多学科设计优化设计方法，实现多学科并行设计，获得系统最优解；3）MDO分布式计算机网络环境。

1982年，MDO由NASA高级研究员J. S.Sobieski提出的。将系统分为“分层次系统”、“非分层系统”及“混合分层次系统”，采用线性方法求解大规模MDO问题。1991年，美国AIAA成立了专门的MDO技术委员会，并发表了MDO现状的白皮书，指出MDO的主要研究问题是优化方法（或是叫做优化策略）和优化算法，列举了MDO发展的若干核心技术：信息标准化、模型参数化、灵敏度分析、优化算法和合理的数学模型的建立等，标志着MDO作为一个新的研究领域正式诞生。

MDO在工程实践初期的两个著名的研究项目均是由NASA和有关工业部门合作展开的：如计划用于X-33的塞式喷管发动机的设计。与传统的优化设计结果相比，它将最小总升重比提高了5%左右。由NASA和多个部门合作开展的高速民用飞机（HSCT）的设计。在该研究中，着重考察分布式网络环境和并行设计的方法，利用MDO方法和并行设计取代现有的设计系统，以缩短设计周期、获得更好的设计方案。

MDO技术的工程应用也产生了不少的成果：波音公司、空中客车公司利用MDO技术使得飞机起飞重量下降率近3%。军机方面，洛克希德－马丁公司，波音公司在设计中，都不同程度的采用了MDO技术，使飞机性能得到提高。

这些都证明多学科设计优化方法是一种非常有效解决复杂工程问题的方法。

目前，MDO技术在国内也引起了高度重视。研究主要在几个大学中进行预研性工作。

三、关键技术及难点

1.涡轮叶片多学科设计问题。涡轮叶片涉及结构、气动、传热、强度、振动、寿命和可靠性等多个相互耦合的学科。各学科分析是实现涡轮叶片多学科设计优化的基础，因此，本章对涡轮叶片设计优化过程中所涉及的各个学科及理论分析方法加以介绍。多学科优化设计的学科间数据传递主要包括两个内容：a）载荷传递；b）网格变形传递。近三十多年来，国外在这方面开展了大量研究，工作内容集中在热、流、固耦合问题的数据传递上，具体内容分别是：a）将气压从流场计算的结果中传递到结构分析中，b）将温度从流场的计算结果传递到结构分析中，c）将结构变形传递到流场网格模型中。通过这些研究，产生了诸多数据传递的方法，并成功地用于诸如HSCT、Business Jet等一系列优化设计问题。

2..涡轮叶片多学科优化设计。

涡轮叶片的设计是一个气动-热-弹性的多学科问题，涉及气动分析、热分析和结构分析等耦合学科，求解这样一个问题通常有三类方法：

（1）紧密耦合分析方法（Closely Coupled Analysis）。这类方法中各学科独立求解，各个学科的分析软件保持相对独立。通过修改学科分析模型，在每一个流场分析的时间步，通过耦合界面更新学科之间的耦合信息，如：温度、气压和变形等。

（2）完全耦合分析方法（Fully Coupled Analysis）。该方法重新编制流体和结构分析程序，将流场方程和结构分析方程合并成为一组统一的流固耦合方程，同时解出结构和流场的耦合状态来实现多学科问题的求解。

（3）松散耦合分析方法（Loosely Coupled Analysis）。该方法中各学科独立求解，各个学科的分析软件保持相对独立。用传统的针对刚性体的流场分析过程进行流场分析，在进行完整地流场分析后，再通过耦合界面更新学科之间的耦合信息。该方法不需要对学科分析软件进行任何的修改，工作量小，可以得到很高的精度，并可节约以往在流体软件和结构软件开发中巨大的投资。因此，这种分析方法在多学科设计优化领域中已被广泛的采用。

在求解涡轮叶片多学科设计优化问题时，通常采用松散耦合分析方法。这样可以利用现有的学科分析软件，方便使用各种多学科设计优化方法，并且提高优化效率。采用松散耦合分析方法进行涡轮叶片的多学科设计优化时，首先建立各个学科的分析过程，通过学科之间耦合信息的传递实现学科解耦，然后按照某一种多学科设计优化方法的组织结构和优化算法建立涡轮叶片的多学科设计优化系统，进行优化。因此，如何将涡轮叶片的多学科分析过程按照一定的多学科设计优化方法构建成多学科分析优化系统成为关键。

多学科设计优化方法包括：多学科可行方法（MDF）、单学科可行方法（IDF）、协作优化（CO）、并行子空间优化算法（CSSO）和两级集成综合系统（BLISS）等。

目前通用软件如何解决三者的耦合问题是计算的关键技术及难点。