渦輪多學科優化設計綜述

韓曉鑫/哈爾濱東安發動機（集團）有限公司

渦輪多學科優化設計綜述

韓曉鑫/哈爾濱東安發動機（集團）有限公司

航空發動機渦輪設計技術涉及熱力學、流體力學、固體力學、傳熱學、燃燒學、結構強度、機械設計、材料學、制造工藝學以及控制科學等學科領域。此項工作的意義在于可實現理論計算、工程設計、試驗驗證和發動機試車驗證等完整的工程過程，達到通過試驗驗證計算。

渦輪；多學科優化設計；流、固、熱耦合

一、背景

渦輪是航空燃氣渦輪發動機核心機的三大核心部件之一，因此，渦輪的設計直接關系到發動機的整體性能。渦輪在十分惡劣的環境下工作，承受著高溫、高壓和高轉速的工作負荷，以滿足性能要求并確保可靠運行。傳統設計是為了使各項性能達到目標要求，而不是尋找最優的解，并且忽視了工程系統中各學科之間的耦合效應，不能利用各學科的發展成果。近年來，為了設計出高性能的渦輪，在渦輪氣動設計就必須考慮溫度和載荷對尺寸的影響，也就是要進行流、固、熱耦合的計算研究。

二、國內外發展動態及水平的綜述

國內外已在渦輪多學科氣動優化設計方面進行了大量的工作。目前出現的多學科設計優化（Multidisciplinary Design Optimization,簡稱MDO）技術具有無可比擬的優勢。

MDO的基本目的是利用現有計算機學科模擬分析技術和分布并行計算網絡資源，充分探索理解各學科（子系統）的相互作用，獲得工程系統整體最優解，同時還要實現各學科的并行設計。MDO是一種并行工程思想在設計階段的具體體現和實施技術。其主要內容主要包括：1）面向設計的多學科分析設計的軟件集成；2）有效的多學科設計優化設計方法，實現多學科并行設計，獲得系統最優解；3）MDO分布式計算機網絡環境。

1982年，MDO由NASA高級研究員J. S.Sobieski提出的。將系統分為“分層次系統”、“非分層系統”及“混合分層次系統”，采用線性方法求解大規模MDO問題。1991年，美國AIAA成立了專門的MDO技術委員會，并發表了MDO現狀的白皮書，指出MDO的主要研究問題是優化方法（或是叫做優化策略）和優化算法，列舉了MDO發展的若干核心技術：信息標準化、模型參數化、靈敏度分析、優化算法和合理的數學模型的建立等，標志著MDO作為一個新的研究領域正式誕生。

MDO在工程實踐初期的兩個著名的研究項目均是由NASA和有關工業部門合作展開的：如計劃用于X-33的塞式噴管發動機的設計。與傳統的優化設計結果相比，它將最小總升重比提高了5%左右。由NASA和多個部門合作開展的高速民用飛機（HSCT）的設計。在該研究中，著重考察分布式網絡環境和并行設計的方法，利用MDO方法和并行設計取代現有的設計系統，以縮短設計周期、獲得更好的設計方案。

MDO技術的工程應用也產生了不少的成果：波音公司、空中客車公司利用MDO技術使得飛機起飛重量下降率近3%。軍機方面，洛克希德－馬丁公司，波音公司在設計中，都不同程度的采用了MDO技術，使飛機性能得到提高。

這些都證明多學科設計優化方法是一種非常有效解決復雜工程問題的方法。

目前，MDO技術在國內也引起了高度重視。研究主要在幾個大學中進行預研性工作。

三、關鍵技術及難點

1.渦輪葉片多學科設計問題。渦輪葉片涉及結構、氣動、傳熱、強度、振動、壽命和可靠性等多個相互耦合的學科。各學科分析是實現渦輪葉片多學科設計優化的基礎，因此，本章對渦輪葉片設計優化過程中所涉及的各個學科及理論分析方法加以介紹。多學科優化設計的學科間數據傳遞主要包括兩個內容：a）載荷傳遞；b）網格變形傳遞。近三十多年來，國外在這方面開展了大量研究，工作內容集中在熱、流、固耦合問題的數據傳遞上，具體內容分別是：a）將氣壓從流場計算的結果中傳遞到結構分析中，b）將溫度從流場的計算結果傳遞到結構分析中，c）將結構變形傳遞到流場網格模型中。通過這些研究，產生了諸多數據傳遞的方法，并成功地用于諸如HSCT、Business Jet等一系列優化設計問題。

2..渦輪葉片多學科優化設計。

渦輪葉片的設計是一個氣動-熱-彈性的多學科問題，涉及氣動分析、熱分析和結構分析等耦合學科，求解這樣一個問題通常有三類方法：

（1）緊密耦合分析方法（Closely Coupled Analysis）。這類方法中各學科獨立求解，各個學科的分析軟件保持相對獨立。通過修改學科分析模型，在每一個流場分析的時間步，通過耦合界面更新學科之間的耦合信息，如：溫度、氣壓和變形等。

（2）完全耦合分析方法（Fully Coupled Analysis）。該方法重新編制流體和結構分析程序，將流場方程和結構分析方程合并成為一組統一的流固耦合方程，同時解出結構和流場的耦合狀態來實現多學科問題的求解。

（3）松散耦合分析方法（Loosely Coupled Analysis）。該方法中各學科獨立求解，各個學科的分析軟件保持相對獨立。用傳統的針對剛性體的流場分析過程進行流場分析，在進行完整地流場分析后，再通過耦合界面更新學科之間的耦合信息。該方法不需要對學科分析軟件進行任何的修改，工作量小，可以得到很高的精度，并可節約以往在流體軟件和結構軟件開發中巨大的投資。因此，這種分析方法在多學科設計優化領域中已被廣泛的采用。

在求解渦輪葉片多學科設計優化問題時，通常采用松散耦合分析方法。這樣可以利用現有的學科分析軟件，方便使用各種多學科設計優化方法，并且提高優化效率。采用松散耦合分析方法進行渦輪葉片的多學科設計優化時，首先建立各個學科的分析過程，通過學科之間耦合信息的傳遞實現學科解耦，然后按照某一種多學科設計優化方法的組織結構和優化算法建立渦輪葉片的多學科設計優化系統，進行優化。因此，如何將渦輪葉片的多學科分析過程按照一定的多學科設計優化方法構建成多學科分析優化系統成為關鍵。

多學科設計優化方法包括：多學科可行方法（MDF）、單學科可行方法（IDF）、協作優化（CO）、并行子空間優化算法（CSSO）和兩級集成綜合系統（BLISS）等。

目前通用軟件如何解決三者的耦合問題是計算的關鍵技術及難點。

四、多學科優化設計應用展望

隨著計算機技術和計算能力的不斷發展，渦輪流場、受熱、變形的模擬精度逐步提高，多學科優化設計將得到更廣泛的應用。通過對發動機渦輪的流、固、熱耦合計算分析，得到現有渦輪的流場、級間參數、級效率、各種損失等有關數據，對其渦輪設計技術狀態進行評價，對發現的原設計葉型、流道等存在的問題提出改進和優化方法。

[1]虞跨海航空發動機渦輪冷卻葉片多學科設計優化技術研究 中國優秀博碩士學位論文全文數據庫（碩士）2006,（07）.

[2]吳立強、尹澤勇、蔡顯新航空發動機渦輪葉片多學科設計優化航空動力學報2005-10第20卷第5期.

[3]舒彪等 基于多學科渦輪葉片氣動設計優化南京航空航天大學學報2005,（06）

[4].田文正等 基于MDO體系的渦輪葉片熱-結構耦合分析 航空發動機2008-06-15.