基于伴随方法和转捩模型耦合的叶轮机械叶片气动外形优化研究

Since the transition from laminar flow to turbulent flow is one of the most important factors which could impact the turbomachinery efficiency characteristic substantially, it is critical to attain an accurate prediction of transition solution when modeling or optimizing turbomachinery blades within low Reynolds number ranges. It is proposed to develop an aerodynamic optimization framework for turbomachinery blades within low Reynolds number ranges, which consists of laminar to turbulence transition model, the associated adjoint method and numerical optimization techniques. Specifically, the proposed project covers two research objectives: (1) The establishment and validation of a novel high-fidelity transition model through an adjoint sensitivity analysis. (2) Aerodynamic optimization of blades using the adjoint method with a fully coupled transition model. The proposed optimization framework would enable engineers to achieve an accurate prediction of the transition phenomena in turbomachinery flows with an affordable computational cost. The research outcomes would advance the adjoint optimization method and create the optimization tools for turbomachinery design.

边界层的层流-湍流转捩是影响叶轮机械性能的关键因素，对低雷诺数条件下叶片的气动外形优化有必要考虑转捩效应。本课题将基于伴随方法和转捩建模耦合进行气动外形优化研究，发展基于层流动能的转捩预测模型及其伴随求解方法，发展低雷诺数条件下的叶片优化设计方法。本项目拟开展两个方面的研究：（1）层流动能模型的精细建模研究和基于伴随方法的优化校核；（2）基于伴随优化方法和层流动能模型的叶片优化设计。该项目研究发展的优化方法既具有快速高效的计算特性，又能够精细考虑低雷诺数条件下叶轮机械内部复杂的转捩流动，期望通过此项研究完善伴随优化方法，拓展该方法在叶轮机械气动设计的应用。

叶轮机械叶片的边界层状态是影响其性能的关键因素，对低雷诺数条件下叶片的气动外形优化中考虑转捩效应是非常必要的。本课题基于伴随方法和转捩建模耦合进行气动外形优化研究，发展了基于层流动能的转捩预测模型及其伴随求解方法，开发了低雷诺数条件下的叶片优化设计方法。本项目开展了两个方面的研究：（1）层流动能模型的精细建模与校核；（2）基于伴随优化方法和转捩模型耦合的叶片优化设计。在本项目研究中发展了基于局部流动变量建模的转捩模型，以及基于伴随优化方法和转捩模型耦合优化方法，完成了相应的计算程序开发并通过实际的低压涡轮叶型设计进行了设计验证。该研究所发展的优化方法具有快速高效的计算特性，同时能够精细考虑低雷诺数条件下叶轮机械内部复杂的转捩流动。此项研究完善了伴随优化方法，并且拓展了该方法在低雷诺数条件下比如低压涡轮和风扇设计中的应用。