题目：叶轮机械内部流动分析与设计若干问题

由于叶轮机械内部流动固有的复杂性，加之目前对一些物理现象的基本机理还没有完全明了，给人们对叶轮机械的内部流动研究和设计带来了很大困难。但随着CFD技术的发展，已极大的推动了人们对流动机理的认识，而对机理的认识又反过来促进了叶轮机械设计技术的进步。本文主要采用数值模拟的方法对叶轮机械内部流动以及设计相关的几个问题进行分析研究。文章主要分为四部分：第一部分通过对有压力梯度下的边界层进行研究，以模拟低压涡轮叶片表面边界层的发展过程，并分析了叶片表面不同负荷分布形式（后加载、前加载、均匀加载）情况下吸力面边界层特性对雷诺数的敏感程度。结果表明：在同一雷诺数情况下，不同负荷分布形式吸力面边界层发展呈现出明显差异；而不同负荷分布形式下叶片表面边界层特性对雷诺数的敏感程度也不一样，相对而言， 在定常条件下均匀加载形式对雷诺数的敏感程度最小，更适应低雷诺数条件下工作。第二部分利用三维数值模拟方法对向心涡轮内部流动进行数值模拟，分析了岛型导叶的气动特点、通道中的二次流动和各个涡系的发展以及不同叶尖间隙对流动的影响。结果表明：在一定范围内岛型导叶对气流角变化不敏感；在靠近动叶进口处二次流动比较明显，流动比较复杂，而通道中各个涡系的演化发展都集中在靠近动叶吸力面一侧；随着的罩壳半径的减小，动叶叶尖处间隙流动逐渐增强；适量的间隙流动有利于改善通道顶部区域流动。第三部分采用数值模拟手段某发动机多级风扇、压气机气动性能和流场的进行定常全三维数值模拟，并对风扇、压气机部件气动性能以及其匹配性能进行分析，在此基础上，探讨风扇/压气机的优化思路。第四部分将遗传算法应用于叶轮机械设计中，并对数值模拟结果进行比较分析。结果表明：遗传算法能有效提高叶片性能，改善流动状况；但由于优化目标单一，优化后叶片的性能也只是在特定的工况下得到了提高，并没有实现全工况下的提高；对叶片进行参数化描述的好坏不仅决定了优化的速度，还决定了最终优化结果的质量。