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离心式压气机叶轮气动性能分析与优化设计研究
| 论文题名： | 离心式压气机叶轮气动性能分析与优化设计研究 |
| 关键词： | 离心压气机;叶轮机构;气动性能;优化设计;多目标优化 |
| 摘要： | 离心压气机作为涡轮增压器等叶轮机械的核心部件，对其整体性能有重要影响。设计一款结构紧凑、高压比、高效率的离心压气机是当前研究热点问题之一。由于离心压气机内部流动复杂，采用基于经验和试错模式设计高性能压气机的设计周期长，设计难度较高。随着计算机技术和计算流体力学技术的发展，基于三维 CFD技术的叶轮优化设计方法开始被应用于压气机技术领域。为寻求一种快速高效的基于内部流场分析的叶轮优化设计方法，同时综合考虑压气机性能参数之间存在的关联影响，本文以某型车用离心压气机叶轮为研究对象，采用基于拉丁超立方试验设计、三维流场分析、Kriging模型和多目标遗传算法相结合的分析与优化方法，进行高效率、高压比和宽工作裕度的多目标优化研究。本文的主要研究内容如下： 1、根据某型汽油机基本性能参数和设计工况参数，进行涡轮增压器匹配计算和热力计算，并编制MATLAB程序；基于压气机叶轮设计理论，进行离心压气机结构设计并建立叶轮三维模型。 2、采用基于Navier-Stokes方程的CFD数值模拟方法，建立离心压气机叶轮气动性能三维数值分析模型；以NASA LSCC离心叶轮和SRV2-O离心叶轮为案例，研究叶轮性能曲线和内部流道压力场、速度场和叶顶间隙流动等内部流场特性，并将计算结果与实验结果进行对比，验证数值分析方法的适用性。 3、基于三维流场分析方法，研究进口叶片角、出口叶片宽度、出口叶片角、分流叶片周向位置、叶顶间隙和叶片包络角等设计参数对性能的影响；采用拉丁超立方设计方法进行压气机设计参数试验设计，并开展设计参数敏感性分析；基于试验设计和三维数值分析结果，构建Kriging模型，并对该模型进行精度分析。 4、基于所构建的Kriging模型，以效率和压比为优化目标，采用NSGA-Ⅱ算法进行压气机叶轮多目标优化，得到Pareto最优前沿解集，将优化叶轮与初始叶轮进行特性曲线和内部流场的对比。结果表明，优化后叶轮设计工况点效率提升了4.23％，压比提高了4.39%；同时，不同工况点的内部流动和整体性能也得到了改善，拓宽了工作裕度。 |
| 作者： | 蔡鹏 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 唐新姿 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湘潭大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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