渦輪多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)綜述

韓曉鑫/哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司

渦輪多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)綜述

韓曉鑫/哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)、固體力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料學(xué)、制造工藝學(xué)以及控制科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。此項(xiàng)工作的意義在于可實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算、工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證和發(fā)動(dòng)機(jī)試車驗(yàn)證等完整的工程過程，達(dá)到通過試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算。

渦輪；多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)；流、固、熱耦合

一、背景

渦輪是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的三大核心部件之一，因此，渦輪的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。渦輪在十分惡劣的環(huán)境下工作，承受著高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的工作負(fù)荷，以滿足性能要求并確保可靠運(yùn)行。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是為了使各項(xiàng)性能達(dá)到目標(biāo)要求，而不是尋找最優(yōu)的解，并且忽視了工程系統(tǒng)中各學(xué)科之間的耦合效應(yīng)，不能利用各學(xué)科的發(fā)展成果。近年來，為了設(shè)計(jì)出高性能的渦輪，在渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)就必須考慮溫度和載荷對(duì)尺寸的影響，也就是要進(jìn)行流、固、熱耦合的計(jì)算研究。

二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及水平的綜述

國(guó)內(nèi)外已在渦輪多學(xué)科氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量的工作。目前出現(xiàn)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization,簡(jiǎn)稱MDO）技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

MDO的基本目的是利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)學(xué)科模擬分析技術(shù)和分布并行計(jì)算網(wǎng)絡(luò)資源，充分探索理解各學(xué)科（子系統(tǒng)）的相互作用，獲得工程系統(tǒng)整體最優(yōu)解，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)各學(xué)科的并行設(shè)計(jì)。MDO是一種并行工程思想在設(shè)計(jì)階段的具體體現(xiàn)和實(shí)施技術(shù)。其主要內(nèi)容主要包括：1）面向設(shè)計(jì)的多學(xué)科分析設(shè)計(jì)的軟件集成；2）有效的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科并行設(shè)計(jì)，獲得系統(tǒng)最優(yōu)解；3）MDO分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

1982年，MDO由NASA高級(jí)研究員J. S.Sobieski提出的。將系統(tǒng)分為“分層次系統(tǒng)”、“非分層系統(tǒng)”及“混合分層次系統(tǒng)”，采用線性方法求解大規(guī)模MDO問題。1991年，美國(guó)AIAA成立了專門的MDO技術(shù)委員會(huì)，并發(fā)表了MDO現(xiàn)狀的白皮書，指出MDO的主要研究問題是優(yōu)化方法（或是叫做優(yōu)化策略）和優(yōu)化算法，列舉了MDO發(fā)展的若干核心技術(shù)：信息標(biāo)準(zhǔn)化、模型參數(shù)化、靈敏度分析、優(yōu)化算法和合理的數(shù)學(xué)模型的建立等，標(biāo)志著MDO作為一個(gè)新的研究領(lǐng)域正式誕生。

MDO在工程實(shí)踐初期的兩個(gè)著名的研究項(xiàng)目均是由NASA和有關(guān)工業(yè)部門合作展開的：如計(jì)劃用于X-33的塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果相比，它將最小總升重比提高了5%左右。由NASA和多個(gè)部門合作開展的高速民用飛機(jī)（HSCT）的設(shè)計(jì)。在該研究中，著重考察分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和并行設(shè)計(jì)的方法，利用MDO方法和并行設(shè)計(jì)取代現(xiàn)有的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以縮短設(shè)計(jì)周期、獲得更好的設(shè)計(jì)方案。

MDO技術(shù)的工程應(yīng)用也產(chǎn)生了不少的成果：波音公司、空中客車公司利用MDO技術(shù)使得飛機(jī)起飛重量下降率近3%。軍機(jī)方面，洛克希德－馬丁公司，波音公司在設(shè)計(jì)中，都不同程度的采用了MDO技術(shù)，使飛機(jī)性能得到提高。

這些都證明多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法是一種非常有效解決復(fù)雜工程問題的方法。

目前，MDO技術(shù)在國(guó)內(nèi)也引起了高度重視。研究主要在幾個(gè)大學(xué)中進(jìn)行預(yù)研性工作。

三、關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

1.渦輪葉片多學(xué)科設(shè)計(jì)問題。渦輪葉片涉及結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)、傳熱、強(qiáng)度、振動(dòng)、壽命和可靠性等多個(gè)相互耦合的學(xué)科。各學(xué)科分析是實(shí)現(xiàn)渦輪葉片多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)，因此，本章對(duì)渦輪葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中所涉及的各個(gè)學(xué)科及理論分析方法加以介紹。多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的學(xué)科間數(shù)據(jù)傳遞主要包括兩個(gè)內(nèi)容：a）載荷傳遞；b）網(wǎng)格變形傳遞。近三十多年來，國(guó)外在這方面開展了大量研究，工作內(nèi)容集中在熱、流、固耦合問題的數(shù)據(jù)傳遞上，具體內(nèi)容分別是：a）將氣壓從流場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果中傳遞到結(jié)構(gòu)分析中，b）將溫度從流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果傳遞到結(jié)構(gòu)分析中，c）將結(jié)構(gòu)變形傳遞到流場(chǎng)網(wǎng)格模型中。通過這些研究，產(chǎn)生了諸多數(shù)據(jù)傳遞的方法，并成功地用于諸如HSCT、Business Jet等一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

2..渦輪葉片多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。

渦輪葉片的設(shè)計(jì)是一個(gè)氣動(dòng)-熱-彈性的多學(xué)科問題，涉及氣動(dòng)分析、熱分析和結(jié)構(gòu)分析等耦合學(xué)科，求解這樣一個(gè)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(xué)科獨(dú)立求解，各個(gè)學(xué)科的分析軟件保持相對(duì)獨(dú)立。通過修改學(xué)科分析模型，在每一個(gè)流場(chǎng)分析的時(shí)間步，通過耦合界面更新學(xué)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(jié)構(gòu)分析程序，將流場(chǎng)方程和結(jié)構(gòu)分析方程合并成為一組統(tǒng)一的流固耦合方程，同時(shí)解出結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)的耦合狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)多學(xué)科問題的求解。

（3）松散耦合分析方法（Loosely Coupled Analysis）。該方法中各學(xué)科獨(dú)立求解，各個(gè)學(xué)科的分析軟件保持相對(duì)獨(dú)立。用傳統(tǒng)的針對(duì)剛性體的流場(chǎng)分析過程進(jìn)行流場(chǎng)分析，在進(jìn)行完整地流場(chǎng)分析后，再通過耦合界面更新學(xué)科之間的耦合信息。該方法不需要對(duì)學(xué)科分析軟件進(jìn)行任何的修改，工作量小，可以得到很高的精度，并可節(jié)約以往在流體軟件和結(jié)構(gòu)軟件開發(fā)中巨大的投資。因此，這種分析方法在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域中已被廣泛的采用。

在求解渦輪葉片多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問題時(shí)，通常采用松散耦合分析方法。這樣可以利用現(xiàn)有的學(xué)科分析軟件，方便使用各種多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并且提高優(yōu)化效率。采用松散耦合分析方法進(jìn)行渦輪葉片的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，首先建立各個(gè)學(xué)科的分析過程，通過學(xué)科之間耦合信息的傳遞實(shí)現(xiàn)學(xué)科解耦，然后按照某一種多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)化算法建立渦輪葉片的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化。因此，如何將渦輪葉片的多學(xué)科分析過程按照一定的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法構(gòu)建成多學(xué)科分析優(yōu)化系統(tǒng)成為關(guān)鍵。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法包括：多學(xué)科可行方法（MDF）、單學(xué)科可行方法（IDF）、協(xié)作優(yōu)化（CO）、并行子空間優(yōu)化算法（CSSO）和兩級(jí)集成綜合系統(tǒng)（BLISS）等。

目前通用軟件如何解決三者的耦合問題是計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)。

四、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算能力的不斷發(fā)展，渦輪流場(chǎng)、受熱、變形的模擬精度逐步提高，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)將得到更廣泛的應(yīng)用。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的流、固、熱耦合計(jì)算分析，得到現(xiàn)有渦輪的流場(chǎng)、級(jí)間參數(shù)、級(jí)效率、各種損失等有關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)其渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的原設(shè)計(jì)葉型、流道等存在的問題提出改進(jìn)和優(yōu)化方法。

[1]虞跨海航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻葉片多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)研究 中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)（碩士）2006,（07）.

[2]吳立強(qiáng)、尹澤勇、蔡顯新航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化航空動(dòng)力學(xué)報(bào)2005-10第20卷第5期.

[3]舒彪等 基于多學(xué)科渦輪葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)2005,（06）

[4].田文正等 基于MDO體系的渦輪葉片熱-結(jié)構(gòu)耦合分析 航空發(fā)動(dòng)機(jī)2008-06-15.