【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【】本專利技術(shù)屬于層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，具體涉及一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
0、
技術(shù)介紹
1、目前，先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度呈現(xiàn)出不斷提高的趨勢(shì)，為了保障渦輪葉片在高熱負(fù)荷條件下安全可靠的工作，必須采取高效的冷卻措施。多孔介質(zhì)泡沫肋雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)集內(nèi)部冷卻和外部氣膜冷卻于一體，具有冷氣消耗量少、冷卻效率高的優(yōu)點(diǎn)。多孔介質(zhì)泡沫肋雙層壁結(jié)構(gòu)的流阻和傳熱特性與泡沫肋的多孔泡沫肋的孔隙率、孔密度、肋高等孔隙/肋結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，為了充分利用多孔泡沫肋提高雙層壁結(jié)構(gòu)的綜合冷卻效果和改善其表面溫度的不均衡程度及降低熱應(yīng)力的水平的同時(shí)而不引起流阻的顯著增加的問題，同時(shí)為了避免出現(xiàn)多孔介質(zhì)孔隙參數(shù)不合理引起的阻力損失過大、冷氣不出流等問題，需要開展多孔泡沫肋雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2、目前關(guān)于多孔介質(zhì)擾流元層板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)只是停留在概念設(shè)計(jì)和理論可行性上面，在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括多孔介質(zhì)肋的孔型、孔密度及參數(shù)設(shè)計(jì)等方面還未提及。傳統(tǒng)的采用試錯(cuò)窮舉設(shè)計(jì)方法通過多次改變幾何結(jié)構(gòu)難以找到最優(yōu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)效率低，同時(shí)不合理的多孔介質(zhì)孔隙參數(shù)設(shè)計(jì)會(huì)引起的阻力損失過大、冷氣不出流等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
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技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是提供一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法難以找到最優(yōu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)效率低的問題。
2、本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層
3、步驟1、提取真實(shí)工況下渦輪導(dǎo)向葉片雙層壁構(gòu)型的最小單元冷卻結(jié)構(gòu)，對(duì)多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化，獲得其特征幾何參數(shù)；
4、步驟2、從所述特征幾何參數(shù)中，選定可優(yōu)化的特征幾何參數(shù)作為優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，給定設(shè)計(jì)變量的上下區(qū)間；
5、步驟3、確定以多孔泡沫肋層板復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)，在所述設(shè)計(jì)變量的上下區(qū)間內(nèi)改變其設(shè)計(jì)值，構(gòu)建試驗(yàn)點(diǎn)樣本空間；
6、其中，以最大的面平均綜合冷卻效率和最小的壓力損失系數(shù)cp作為多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；
7、步驟4、通過試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得不同樣本點(diǎn)下的多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)值，根據(jù)樣本空間，建立多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)值和幾何特征參數(shù)間的代理模型；
8、通過增加試驗(yàn)樣本點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)值模擬并與代理模型所預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證所述代理模型的數(shù)值精度：
9、如果所述代理模型的精度小于設(shè)定值，則增加樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)重新建立代理模型，直至代理模型的精度滿足設(shè)計(jì)要求；
10、步驟5、在最小的壓力損失系數(shù)cp小于等于限制值、及最大的面平均綜合冷卻效率最高的優(yōu)化目標(biāo)下，利用所述代理模型和nsga-ii非支配遺傳多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行尋優(yōu)，獲得滿足優(yōu)化目標(biāo)的多孔泡沫肋層板結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值，從而獲得最優(yōu)的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)。
11、進(jìn)一步的，步驟1中的特征幾何參數(shù)包括多孔泡沫肋孔隙率、孔密度、肋高和肋間距、沖擊孔和氣膜孔。
12、進(jìn)一步的，步驟3中，最大的面平均綜合冷卻效率的計(jì)算公式如下：
13、
14、最小的壓力損失系數(shù)cp的計(jì)算公式如下：
15、
16、式中φ是綜合冷卻效率，tw,ex是氣膜板外表面的溫度，tg和tc分別是燃?xì)夂屠錃獾臏囟龋籶imp,t和pfilm,t分別為沖擊孔入口和氣膜孔出口的總壓。
17、進(jìn)一步的，步驟4中獲得不同樣本點(diǎn)下的多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)值的具體方法為：
18、步驟4.1、對(duì)多孔泡沫肋區(qū)域和雙層壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模；
19、步驟4.2、對(duì)多孔泡沫肋雙層壁結(jié)構(gòu)的流體域和固體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分且在近壁面及流固交界面進(jìn)行局部加密處理；
20、步驟4.3、采用基于雷諾平均的方法并耦合湍流模型求解三維可壓縮流體質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程和固體域的三維熱傳導(dǎo)方程，從而獲得不同特征幾何參數(shù)下的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)中的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性；
21、步驟4.4、對(duì)獲得的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，獲得不同樣本點(diǎn)下多孔泡沫肋層板結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)值。
22、進(jìn)一步的，步驟4.1中，通過設(shè)定的孔隙率、孔密度值迭代求解獲得描述多孔泡沫肋的多孔骨架參數(shù)。
23、本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)采用基于代理模型的多孔泡沫肋層板結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化方法，可以較為快速的獲得設(shè)計(jì)范圍內(nèi)具有高效冷卻性能和較低的流阻特性的冷卻結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，減少設(shè)計(jì)中需要的計(jì)算成本，最大限度的利用多孔介質(zhì)擾流元強(qiáng)化對(duì)流傳熱和導(dǎo)熱特性，對(duì)層板冷卻結(jié)構(gòu)冷卻特性和溫度分布均勻性及流阻特性進(jìn)行有效調(diào)控，實(shí)現(xiàn)層板冷卻結(jié)構(gòu)的高效設(shè)計(jì)，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可以實(shí)現(xiàn)較低溫度和熱應(yīng)力水平及較高的強(qiáng)度和耐久性等多重優(yōu)點(diǎn)。
24、本專利技術(shù)通過代理模型替代復(fù)雜的物理模型，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成大量設(shè)計(jì)方案的評(píng)估，大大提高了優(yōu)化過程的效率，減少了計(jì)算時(shí)間和成本；代理模型能夠在保持較高預(yù)測(cè)精度的同時(shí)，減少直接使用高精度仿真模型所帶來的高昂計(jì)算開銷，使得優(yōu)化結(jié)果更加可靠。該方法適用于多種不同類型的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)具體需求調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)(如冷卻效果、流阻等)，以達(dá)到最佳的整體性能；能夠同時(shí)考慮多個(gè)相互制約的目標(biāo)(例如最大化冷卻效率與最小化流阻)，找到最優(yōu)解或帕累托前沿(pareto?front)，為決策者提供更多的選擇方案。
25、本專利技術(shù)中采用的nsga-ii是非支配排序遺傳算法的改進(jìn)版本，是多目標(biāo)優(yōu)化領(lǐng)域中一種非常流行和有效的算法。它在解決多目標(biāo)優(yōu)化問題時(shí)展現(xiàn)出了許多優(yōu)勢(shì)，可以與代理模型結(jié)合使用，進(jìn)一步減少計(jì)算成本，提高優(yōu)化效率。這些優(yōu)勢(shì)使得它成為解決此類多目標(biāo)優(yōu)化問題的理想選擇。多孔泡沫肋層板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題通常具有多個(gè)局部最優(yōu)解。nsga-ii的全局搜索能力能夠有效地探索解空間，避免陷入局部最優(yōu)，從而找到全局最優(yōu)解。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下內(nèi)容：
2.如權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟1中的特征幾何參數(shù)包括多孔泡沫肋孔隙率、孔密度、肋高和肋間距、沖擊孔和氣膜孔。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3中，最大的面平均綜合冷卻效率的計(jì)算公式如下：
4.如權(quán)利要求3所述的一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟4中獲得不同樣本點(diǎn)下的多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)值的具體方法為：
5.如權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟4.1中，通過設(shè)定的孔隙率、孔密度值迭代求解獲得描述多孔泡沫肋的多孔骨架參數(shù)。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下內(nèi)容：
2.如權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟1中的特征幾何參數(shù)包括多孔泡沫肋孔隙率、孔密度、肋高和肋間距、沖擊孔和氣膜孔。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種應(yīng)用于渦輪葉片的多孔泡沫肋層板冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3中，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孔德海，畢然，劉存良，郭濤，牛夕瑩，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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