基于响应面模型的跨音速转子叶片气动优化设计研究
摘 要:为了提高优化设计效率节约成本,将试验设计方法、响应面近似模型与遗传算法优化方法结合在一起应用于跨音速转子叶片气动优化设计中。首先采用拉丁超立方试验设计方法生成样本点构建目标函数的响应面模型,然后利用遗传算法对响应面模型进行目标寻优,并对优化解进行流场分析验证。为了验证方法的可行性,以NASA rotor37转子叶片前缘积迭线弯与掠优化设计为例,总压损失系数为目标函数进行单目标优化设计,优化后总压损失系数降低了0.528%,总耗时20小时,算例结果表明基于响应面近似模型的优化设计方法可用于叶片气动优化中,提高优化设计效率。
关键词:跨音速转子叶片;试验设计;响应面模型;气动优化设计;
0 前言
遗传算法被广泛应用于航空发动机叶片的三维气动优化设计问题中,但是直接应用遗传算法
(genetic algorithm, GA)对叶片进行气动优化时所需要求解复杂三维流场计算耗费的时间及计算成本巨大,将其直接用于叶片全三维优化设计存在相当大的困难。为了准确并且高效的解决复杂的三维气动优化设计问题,采用近似模型来替代复杂的仿真模型进行优化设计是可行而又简便的方法[1,2]。
响应面方法作为一种近似方法,可以通过较少的试验设计获得设计变量与性能函数间足够精确的相互关系,并可用简单的多项表达式来描述。由于其简单、高效的优点,近年来被广泛的应用于各个领域。邓磊、乔志德、杨旭东等将响应面方法应用于低速翼型优化设计中[3],陈国栋、韩旭等利用加强径向基插值函数构造目标和约束间的响应面模型,并结合多目标遗传算法进行工程设计优化,提高了优化设计效率[4]。本文将该方法应用于跨音速转子叶片气动优化设计中,通过结合拉丁超立方2抽样(Latin hypercube sampling,LHS)试验设计、响应面近似模型及遗传优化方法发展一种基于响应面近似模型优化设计方法,并应用于跨音速转子叶片NASA Rotor37的单目标气动优化设计中,优化后目标函数总压损失系统降低了0.528%同时计算时间大大缩短,提供了设计优化效率。
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