本發(fā)明屬于跨音速壓氣機優(yōu)化領域，更具體地說，尤其涉及一種跨音速壓氣機的風扇葉片通道三維氣動優(yōu)化系統(tǒng)。

背景技術：

1、在現(xiàn)代航空發(fā)動機和工業(yè)壓縮機設計中，壓氣機的性能直接影響整個系統(tǒng)的效率和可靠性。跨音速壓氣機作為其中的關鍵部件，其風扇葉片通道的氣動性能優(yōu)化尤為重要。傳統(tǒng)的設計方法依賴于經(jīng)驗和試錯，不僅耗時耗力，而且難以達到最優(yōu)設計效果。隨著計算流體動力學cfd技術的發(fā)展，基于數(shù)值模擬的氣動優(yōu)化方法逐漸成為主流。然而，現(xiàn)有的cfd優(yōu)化系統(tǒng)在處理復雜流動現(xiàn)象、捕捉激波和流動分離方面仍存在挑戰(zhàn)；

2、傳統(tǒng)的壓氣機設計主要依賴于工程師的經(jīng)驗以及實驗數(shù)據(jù)。這種方法雖然在一定程度上有效，但存在諸多不足：

3、效率低下：經(jīng)驗設計和試錯法需要大量的時間和資源進行多次迭代，每一次修改都需要重新進行實驗或數(shù)值模擬驗證，導致設計周期長且成本高。

4、精度不足：由于缺乏精確的數(shù)學模型來描述復雜的流體動力學行為，特別是在跨音速條件下，傳統(tǒng)方法難以準確預測氣流特性。

5、創(chuàng)新能力受限：依賴經(jīng)驗的設計往往局限于已知的解決方案框架內(nèi)，難以突破現(xiàn)有技術瓶頸，限制了創(chuàng)新的可能性；

6、基于上述，開發(fā)一種高效、準確的跨音速壓氣機風扇葉片通道三維氣動優(yōu)化系統(tǒng)具有重要意義，因此，我們提出一種跨音速壓氣機的風扇葉片通道三維氣動優(yōu)化系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中存在的缺點，而提出的一種跨音速壓氣機的風扇葉片通道三維氣動優(yōu)化系統(tǒng)，通過集成先進的cfd技術和智能優(yōu)化算法，該系統(tǒng)能夠快速評估不同設計方案下的氣動性能，顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，?同時，?高精度的數(shù)值模擬有助于更準確地預測實際運行中的性能表現(xiàn)，減少了物理實驗的需求和成本。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

3、一種跨音速壓氣機的風扇葉片通道三維氣動優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

4、數(shù)據(jù)采集模塊，用于獲取風扇葉片通道的幾何參數(shù)、流體特性參數(shù)以及操作條件；

5、計算模塊，配置為基于計算流體動力學方法對風扇葉片通道內(nèi)的氣流進行模擬分析，并預測不同設計參數(shù)下的氣動性能指標；

6、優(yōu)化算法模塊，與所述計算模塊相連，用于根據(jù)預設的目標函數(shù)和約束條件，通過迭代搜索最優(yōu)解，以實現(xiàn)風扇葉片通道的氣動性能最大化或性能指標的最優(yōu)化；

7、結果輸出模塊，用于將優(yōu)化后的風扇葉片通道設計方案以及相應的氣動性能評估結果輸出給用戶。

8、優(yōu)選的，所述計算模塊包括：

9、網(wǎng)格生成單元，用于根據(jù)風扇葉片通道的幾何形狀自動生成高質量的計算網(wǎng)格；

10、求解器單元，配置為執(zhí)行cfd模擬，包括穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流動模擬，以及湍流模型的應用；

11、后處理單元，用于對cfd模擬結果進行可視化處理和數(shù)據(jù)分析，提取關鍵氣動性能參數(shù)。

12、優(yōu)選的，所述網(wǎng)格生成單元設置具體為：

13、輸入，風扇葉片通道的幾何形狀、邊界條件；

14、處理，使用結構化網(wǎng)格生成技術自動生成高質量的計算網(wǎng)格；

15、輸出，適用于cfd模擬的網(wǎng)格文件；

16、其中，cfd模擬設置具體為：

17、輸入，求解器配置好的初始條件和邊界條件；

18、處理，執(zhí)行cfd模擬，包括穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流動模擬；對于跨音速情況，關注激波捕捉和流動分離現(xiàn)象；

19、輸出，時間步長或迭代次數(shù)上的流場數(shù)據(jù)，包括速度、壓力、溫度、密度；

20、優(yōu)選的，所述求解器單元設置具體為：

21、輸入，網(wǎng)格文件、流體特性參數(shù)、操作條件；

22、處理，配置求解器參數(shù)，包括選擇適當?shù)耐牧髂Ｐ汀⒃O置邊界條件、初始化流場；

23、所述后處理單元設置具體為：

24、輸入，cfd模擬得到的流場數(shù)據(jù)；

25、處理，進行數(shù)據(jù)可視化，提取關鍵氣動性能參數(shù)，包括壓比、效率、流量系數(shù)；

26、輸出，圖表、報告形式的氣動性能評估結果。

27、優(yōu)選的，所述計算網(wǎng)格的表達式為：

28、；

29、式中，u是運動粘度，是壁面剪切應力，網(wǎng)格尺寸δx根據(jù)所需的最大y+值來確定，其中y+是無量綱距離，用于描述邊界層內(nèi)的網(wǎng)格點位置；

30、網(wǎng)格尺寸通過網(wǎng)格密度和網(wǎng)格密度確定，包括在邊界層和激波區(qū)域，所述網(wǎng)格密度確保網(wǎng)格的長寬比、扭曲度和正交性滿足求解器的要求。

31、優(yōu)選的，所述求解器單元負責解決流體流動的基本方程，包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及湍流模型的應用；

32、所述連續(xù)性方程描述了質量守恒的原則，即單位時間內(nèi)流入某控制體積的質量等于該體積內(nèi)質量的增加率加上流出的質量，表達式為：

33、；

34、式中，ρ表示流體密度，u表示速度向量，abla·（ρu）表示流體通過控制面的凈質量流量；

35、所述動量方程描述了流體粒子的動量變化率與作用在流體上的外力之間的關系，表達式為：

36、+abla·(ρu×u)=-ablap+abla·τ+f；

37、式中，u表示速度向量，p表示壓力，τ是應力張量，描述了粘性應力，f是外部力。

38、優(yōu)選的，所述能量方程描述了流體內(nèi)部能量的變化與熱量傳遞和功的關系，表達式為：

39、+abla·(ρuh)=abla·(kablat)+?μ；

40、式中，e是內(nèi)能，h是焓，定義為；k是熱導率，μ是粘性耗散項，表示由于粘性引起的能量耗散。

41、優(yōu)選的，所述湍流模型包括兩個輸運方程，用于湍流動能k和湍流耗散率ε，表達式為：

42、；

43、；

44、式中，gk是由于平均速度梯度引起的湍流動能生成項，μt是湍流粘度，由k和ε計算得出；c1ε、c2ε、σk、σε是模型常數(shù)。

45、優(yōu)選的，所述優(yōu)化算法模塊通過預設目標函數(shù)和約束條件，迭代搜索最優(yōu)解，目標是實現(xiàn)風扇葉片通道的氣動性能最大化或性能指標的最優(yōu)化；

46、所述目標函數(shù)包括壓比、效率、流量系數(shù)關鍵氣動性能參數(shù)，所述約束條件包括幾何參數(shù)限制、操作條件限制以及物理規(guī)律限制。

47、本發(fā)明的技術效果和優(yōu)點：本發(fā)明提供的一種跨音速壓氣機的風扇葉片通道三維氣動優(yōu)化系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

48、通過集成先進的cfd技術和智能優(yōu)化算法，該系統(tǒng)能夠快速評估不同設計方案下的氣動性能，顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時，高精度的數(shù)值模擬有助于更準確地預測實際運行中的性能表現(xiàn)，減少了物理實驗的需求和成本；利用自動化的網(wǎng)格生成和求解器配置功能，工程師能夠更加靈活地探索新的設計理念而不必擔心復雜的前處理工作，此外，多目標優(yōu)化策略的應用使得在滿足多個相互沖突的目標之間找到最佳平衡點成為可能；

49、通過對關鍵氣動參數(shù)進行精確控制，并考慮各種操作條件下的表現(xiàn)，該優(yōu)化系統(tǒng)有助于提升最終產(chǎn)品的可靠性和耐久性，系統(tǒng)不僅能夠解決當前面臨的挑戰(zhàn)，還能為未來更高效、更環(huán)保的動力裝置提供技術支持。