考虑椭圆孔组合偏转的冷却布局多维高效优化

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31584

流体力学与飞行力学

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考虑椭圆孔组合偏转的冷却布局多维高效优化

郭嘉杰, 陶志, 宋立明(), 李军

西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049

收稿日期:2024-11-29 修回日期:2024-12-18 接受日期:2025-03-10 出版日期:2025-03-19 发布日期:2025-03-19
通讯作者: 宋立明 E-mail:songlm@mail.xjtu.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项（2019-Ⅱ-0008-0028）

Multi-dimensional and efficient optimization of cooling layout considering combination of oval hole inclination angles

Jiajie GUO, Zhi TAO, Liming SONG(), Jun LI

School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China

Received:2024-11-29 Revised:2024-12-18 Accepted:2025-03-10 Online:2025-03-19 Published:2025-03-19
Contact: Liming SONG E-mail:songlm@mail.xjtu.edu.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project （2019-Ⅱ-0008-0028）

摘要/Abstract

摘要：

为深入挖掘考虑椭圆孔组合偏转的多变量设计空间，进一步提升凹槽叶顶的气热性能，采用稳态RANS数值模拟方法开展了凹槽叶顶的冷却布局优化研究，探究了优化结构的流场变化与性能提升机理。更为重要的是，为加速工程算例的优化速率，根据传统进化类算法框架，结合前沿优化算子，发展了适用于高维工程问题、快速收敛的优化算法并进行了函数测试，随后按单目标、双目标的次序开展了优化工作。优化结构降低了冷却孔布置间隔，采用大角度的正轴向偏转角提升了气膜贴壁性能，并且平衡了气膜覆盖与冷却孔朝向的耦合关系。结果显示，优化结构的气膜冷却效率相较于参考结构提升了79.9%，同时级效率上升了0.054%。

关键词: 涡轮, 凹槽叶顶, 气膜冷却, 椭圆孔, 多目标优化

Abstract:

To deeply explore the multivariate design space considering the combination of oval hole inclination angles， and further enhance the aero-thermal performance of the squealer tip， the steady-state RANS numerical simulation method was employed to optimize the cooling layout on a squealer tip. The variation of the flow field and the resulting performance improvement were analyzed. More importantly， to accelerate the rate of engineering optimization， a high fast-converging optimization algorithm suitable for high-dimensional engineering problems was developed based on the framework of a classical evolutionary algorithm and advanced optimization operators. Following classical function testing， a mixed optimization of single objective and bi-objective was conducted. The results demonstrated that in the optimal structure， the spacing between cooling holes is reduced， the wall attachment performance is improved with elevated positive axial inclination angles， and the coupling relationship between film coverage and cooling hole orientation is better balanced. The film cooling effectiveness is increased by 79.9%， and the enhancement of stage efficiency reaches 0.054% in comparison to the benchmark structure.

Key words: turbine, squealer tip, film cooling, oval hole, multi-objective optimization

中图分类号:

V232.4

郭嘉杰, 陶志, 宋立明, 李军. 考虑椭圆孔组合偏转的冷却布局多维高效优化[J]. 航空学报, 2025, 46(16): 131584.

Jiajie GUO, Zhi TAO, Liming SONG, Jun LI. Multi-dimensional and efficient optimization of cooling layout considering combination of oval hole inclination angles[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(16): 131584.

图/表 32

图 1

表 1

图 2

图 3

图 4

表 2

图 5

图 6

表 3

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表 4

表4

图 13

图14

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图 16

图 17

表 5

图 18

图 19

图 20

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图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

参考文献 30

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参数	值
进口总压/kPa	344.74
进口总温/K	709.0
出口静压/kPa	141.44
壁面温度/K	500.0
冷气温度/K	344.0
湍流度/%	5
冷气流量/（g·s^-1）	0.108 994

网格数/10⁶	泄漏流量/%	偏差/%	总压损失系数	偏差/%
9.46	2.438 1	0.685 5	0.074 395	0.910 2
12.36	2.430 8	0.384 1	0.073 960	0.320 1
16.07	2.424 4	0.119 8	0.073 800	0.103 1
20.59	2.421 5		0.073 724

变量	定义	范围
x₁/mm	H1位置	0.2~1.2
x₂/mm	H2位置	0.4~3.8
x₃/mm	H3位置	0.2~4.0
x₄/mm	H4位置	0.2~4.0
x₅/mm	H5位置	0.4~3.8
x₆/（°）	H1轴向偏转角	-60~60
x₇/（°）	H2轴向偏转角	-60~60
x₈/（°）	H3轴向偏转角	-60~60
x₉/（°）	H4轴向偏转角	-60~60
x₁₀/（°）	H5轴向偏转角	-60~60
x₁₁/（°）	H1径向偏转角	-30~30
x₁₂/（°）	H2径向偏转角	-30~30
x₁₃/（°）	H3径向偏转角	-30~15
x₁₄/（°）	H4径向偏转角	-30~15
x₁₅/（°）	H5径向偏转角	-30~30
x₁₆/（°）	H1自偏转角	-20~20
x₁₇/（°）	H2自偏转角	-20~20
x₁₈/（°）	H3自偏转角	-20~20
x₁₉/（°）	H4自偏转角	-20~20
x₂₀/（°）	H5自偏转角	-20~20

测试函数	特征	解析最优值	变量维度	算法	均值	标准差
Ellipsoid	单峰函数	0	50	AHEA	2.84×10^-18	8.42×10^-18
				RAHEA	6.90×10^-17	1.50×10^-16
				GSDE	1.03×10^-1	7.39×10^-2
				AHA	1.89×10^-4	3.12×10^-4
				GA	3.31×10³	3.85×10²
			100	AHEA	1.61×10^-19	4.77×10^-19
				RAHEA	5.55×10^-18	7.99×10^-18
				GSDE	3.27	3.92
				AHA	4.11×10^-4	5.34×10^-4
				GA	2.08×10⁴	1.49×10³
Rosenbrock	狭长山谷状函数	0	50	AHEA	4.87×10¹	7.14×10^-2
				RAHEA	4.83×10¹	3.16×10^-1
				GSDE	4.79×10¹	5.98×10^-1
				AHA	4.90×10¹	2.17×10^-2
				GA	4.28×10³	3.04×10²
			100	AHEA	9.88×10¹	4.11×10^-2
				RAHEA	9.87×10¹	1.14×10^-1
				GSDE	9.80×10¹	2.86×10^-1
				AHA	9.90×10¹	2.74×10^-2
				GA	1.74×10⁴	1.94×10³
Ackley	多峰函数	0	50	AHEA	1.78×10^-13	3.73×10^-13
				RAHEA	6.42×10^-11	1.21×10^-10
				GSDE	9.96×10^-3	1.87×10^-2

测试函数	特征	解析最优值	变量维度	算法	均值	标准差
Ackley	多峰函数	0	50	AHA	2.33×10^-2	2.31×10^-2
			50	GA	1.95×10¹	2.14×10^-1
			100	AHEA	5.49×10^-13	9.98×10^-13
				RAHEA	9.36×10^-12	1.91×10^-11
				GSDE	1.78×10^-1	1.20×10^-1
				AHA	9.64×10^-3	1.24×10^-2
				GA	2.02×10¹	1.23×10^-1
Griewank	多峰函数	0	50	AHEA	<1.0×10^-17	<1.0×10^-17
				RAHEA	4.13×10^-15	1.18×10^-14
				GSDE	5.52×10^-3	7.42×10^-3
				AHA	1.42×10^-2	2.76×10^-2
				GA	5.09×10²	5.45×10¹
			100	AHEA	<1.0×10^-17	<1.0×10^-17
				RAHEA	9.99×10^-17	2.014×10^-16
				GSDE	1.90×10^-1	5.69×10^-2
				AHA	4.85×10^-2	1.30×10^-1
				GA	1.63×10³	1.13×10²

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变量	定义	优化取值
x₁/mm	H1位置	0.38
x₂/mm	H2位置	0.60
x₃/mm	H3位置	0.20
x₄/mm	H4位置	0.31
x₅/mm	H5位置	0.40
x₆/（°）	H1轴向偏转角	60.0
x₇/（°）	H2轴向偏转角	60.0
x₈/（°）	H3轴向偏转角	48.9
x₉/（°）	H4轴向偏转角	58.1
x₁₀/（°）	H5轴向偏转角	39.0
x₁₁/（°）	H1径向偏转角	-19.2
x₁₂/（°）	H2径向偏转角	-30.0
x₁₃/（°）	H3径向偏转角	-30.0
x₁₄/（°）	H4径向偏转角	1.4
x₁₅/（°）	H5径向偏转角	-30.0
x₁₆/（°）	H1自偏转角	20.0
x₁₇/（°）	H2自偏转角	-3.1
x₁₈/（°）	H3自偏转角	20.0
x₁₉/（°）	H4自偏转角	14.0
x₂₀/（°）	H5自偏转角	-16.4

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