题目：冷却涡轮多学科优化设计研究

        本文工作主要是围绕航空发动机冷却涡轮的多学科优化设计问题展开的。
        随着航空发动机推重比的提高，涡轮前温度不断攀升，这对高压涡轮的可靠性提出了严峻的要求。将先进的冷却技术应用于涡轮可以有效提高涡轮前温度，同时削弱对材料的依赖。近半个世纪以来冷却涡轮被广泛应用，已由简单的内部冷却发展为复杂的气膜冷却。冷却涡轮的设计对工程师提出了更大的挑战，由于计算机水平的提升和多学科数值模拟技术的发展，人们实现了对气冷涡轮更为精细的认识，结合优化算法，可以实现对冷却涡轮的优化设计。
        基于以上背景，本文首先就气动方面的优化进行讨论，内容包括基于对转涡轮实验台的某1+1/2低压涡轮气动特性试验，并通过非定常数值模拟提出该涡轮级最佳二级导叶时序角。其次将单目标和多目标优化应用于某高压涡轮的三维弯曲规律优化。再则引入流热耦合方法进行内冷直列叶栅和环列叶栅的数值模拟。讨论转捩、二次流、激波与换热的相互影响，在此基础上进行了MARK II叶片的多学科热应力优化。最后讨论源项法在气膜冷却叶片流场模拟中的应用，并对全场气膜冷却的E3发动机高压涡轮一级导叶进行了优化。具体工作如下。
        第一，结合1+1/2低压涡轮气动特性实验，对北航超跨音对转涡轮实验台的构成以及测试系统进行了简要介绍，通过缩型前后的CFD结果分析，以及与试验结果的对比，证实了缩型试验的可行性，得到试验设计点绝热效率与CFD绝热效率仅相差1%。之后，采用双时间步长法，对叶片数模化后的1+1/2涡轮进行时序效应讨论，展示了不同时序角下的尾迹传播机理，通过熵时空及熵时均分析，发现该涡轮存在的三维流动使得中径处的流动与经典的时序效应理论不符，且端壁处的影响更大。同时对非定常势流的影响和压力脉动也作了讨论。
        第二，对某高压涡轮的三维积叠规律进行气动优化，讨论单目标遗传算法和多目标遗传算法的应用特点。其中使用任意回转面造型方法，采用Bezier曲线定义积叠规律，可获得具有不同弯向形状的三维叶片。先建立三维气动优化平台，采用单目标遗传算法（GA），约束最小流量以保证其流通能力，以总压恢复系数为优化目标，结果获得J型正弯叶片，气动性能得到改进，特别是叶根部分的分离得到缓解。之后采用改进的非支配解多目标遗传优化算法（NSGA II），以流量和总压恢复系数作为优化目标，获得大量非劣解，且同样为正弯叶片。选取以上不同弯度的叶片进行分析，并引入涡量讨论二次流损失的特点。
        第三，将流热耦合方法应用于直列和环形内冷涡轮，并对该直列内冷涡轮进行多学科优化。其中选用径向圆孔内冷的MARK II直列叶栅，通过实验值对比，不同湍流模型均能较好地模拟气动分布，而换热结果上只有带转捩的SST湍流模型与实验最为吻合，能够捕捉到在激波-边界层作用下产生的由分离诱导的转捩。因此选用该模型，以采用径向成形内冷通道的某高压级导叶环形叶栅为研究对象，进行流热耦合模拟，结果表明超跨音流场中激波、分离以及通道涡、角隅涡等涡系结构与温度场之间存在复杂的相互作用。
        在上述讨论的基础上，引入了单向流热固耦合模拟以获得叶片的热应力分布，建立多学科的内冷涡轮优化平台。同样采用MARK II涡轮叶片，以中截面为例，在不改变各孔流量的情况下，选取较大热应力附近孔的半径和坐标为变量，定义考虑中截面最大和平均热应力的加权优化目标变量，并约束其最大温度，采用单目标遗传优化算法进行优化。结果表明该优化方法可以有效改善叶片热应力分布，优化目标下降18%。
        第四，讨论了源项法在气膜冷却模拟中的应用及基于源项法的优化。以带有内冷和前缘气膜冷却的C3X叶片为研究对象，在无气膜冷却的模拟中，S-A模型获得的温度场与实验值较为吻合，在采用源项法加入气膜后，前缘气膜对下游换热的影响与试验结果比较一致。之后选用全场气膜冷却的E3发动机高压涡轮静叶，以若干孔排的孔径及位置为优化变量，采用NSGA II优化方法进行多目标优化。结果表明，最大温度和平均温度均有所下降，且压力面的效果要优于吸力面。