CAESES离心压气机叶轮优化案例深度剖析

案例——离心压气机

离心式压气机 有体积小、单级增压比高等特点，广泛应用于航空、船舶等领域的动力系统。叶轮是离心压气机的核心部分，是主要做功部件，其模型的变化对压气机性能有着关键的影响。我们选择了一款现有的离心压气机叶轮 模型，采用CAESES软件结合CFD仿真工具，对其气动性能进行优化。该离心压气机主要性能参数及叶轮模型如下所示：

优化流程

对离心压气机叶轮的性能进行优化，首先需要控制其模型进行变化。CAESES提供了一个CAD环境，能够高效的创建参数化 模型并进行变形控制，方便灵活的生成多个不同的几何模型 。基于CAESES输出的模型，可以在CFD软件中构建自动化网格划分 及仿真分析流程，并通过CAESES软件进行调用，提取仿真分析得到的性能结果。最后，设置CAESES里的优化算法，根据仿真分析的结果调整叶轮模型参数，对叶轮性能进行自动优化。例如，CAESES结合CFX软件进行优化的典型流程如下：

模型创建及变形控制

首先在CAESES软件中构建全参数化叶轮模型，关键步骤如下：

1. 首先定义叶轮子午流道型线及前尾缘位置；
2. 流道可采用样条曲线 ，直线+圆弧等多种形式，可按照不同需求定义流道型线参数（此处采用直线+圆弧形式）；
3. 之后可按照θ（包角）或β（切向角 ）分布曲线来生成叶片中弧线；

4.沿叶片高度方向生成多条中弧线 ，即可组合生成叶片中弧面；

5.基于中弧面给定叶片厚度分布曲线，即可生成叶片表面

6.同样的可生成小叶片模型，并设置大小叶片间的角度差为参数。

部分参数变化示意：

仿真链接及自动优化

在CFD软件中对叶轮进行单通道仿真计算，主要条件设置如下：

计算过程中录制网格创建、前处理、求解及后处理 的一系列脚本文件，并在CAESES调用这些脚本，构建自动化仿真流程 ，并读取仿真计算结果，如下图所示：

采用CAESES中的Sobol算法进行初步优化，对七个关键参数进行控制，调用仿真软件进行性能分析 ，共进行了30个模型的仿真计算。

优化目标：

• 效率提升
• 压比提升

优化结果

最终得到的不同模型性能结果如下：

图中红圈标记的为得到的最优模型。优化模型和初始模型的结果对比如下，总压比及效率都有明显提升。

优化模型与原始模型对比如下（绿色为原始模型，灰色为优化后模型）：

同时基于批量仿真分析的结果，我们可以对不同几何参数对性能的影响趋势进行评估：

总结

1. 通过CAESES结合CFD仿真软件进行了压气机叶轮的初步优化，最终总压比提升7.5%，效率提升5.2%；
2. 在CAESES中进行参数化建模 ，可高效精准地对叶轮模型进行优化调整；
3. 通过CAESES调用外部软仿真件，可减少人工操作，实现自动化CFD仿真；
4. 基于CAESES的优化算法 ，可以判断参数影响趋势，自动调整模型变化，进行模型性能优化 ；
5. 后续可以构建压缩机蜗壳参数化模型，进行压缩机模型整体优化。