طراحی بهینه یک شیار محیطی بر اساس بهبود عملکرد کمپرسور محوری گذرصوتی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، شبکه های عصبی و الگوریتم ژنتیک چندهدفه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

چکیده

هدف این مقاله طراحی بهینه یک شیار محیطی برای کمپرسور گذرصوتی روتور 37 ناسا است. پارامترهای طراحی شامل عمق، عرض و موقعیت قرارگیری شیار و توابع هدف شامل حاشیه وامانش و راندمان بیشینه می­باشند و از نسبت فشار وامانش به عنوان معیاری برای انتخاب طرح بهینه استفاده شده است. مدل­سازی ریاضی کمپرسور که شامل برقراری رابطه بین متغیرهای طراحی و توابع هدف می­باشد، با استفاده از شبکه­های عصبی صورت گرفته است. به منظور آموزش شبکه­های عصبی، از نتایج حاصل از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای 123 نقطه طراحی استفاده شده است. در ادامه، طراحی بهینه به وسیله الگوریتم ژنتیک چند هدفه انجام شده است که منجر به مجموعه­ای از پاسخ­های بهینه (پرتو فرانت) گردیده است. پس از مرتب­سازی این مجموعه بر اساس بیشترین حاشیه وامانش، اولین پاسخی که نسبت فشار وامانش آن بیشتر از نسبت فشار وامانش حالت پوسته صاف بود به عنوان پاسخ نهایی انتخاب گردید. شبیه­سازی این طرح نشان داد که شیار بهینه منجر به افزایش 2/6 درصدی حاشیه وامانش می­شود و تأثیر بسیار ناچیزی بر راندمان کمپرسور دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[[1]] Hathaway M. D., Passive Endwall Treatments for Enhancing Stability, NASA Report No. TM-2007-214409, 2007.
[[1]] Wisler D.C., Hilvers D.E., Stator Hub Treatment Study, NASA CR–134729, December, 1974.
[[1]]  Prince D. C., Wisler D. C. and Hilvers D. E., A study of casing treatment stall margin improvement phenomena, In ASME 1975 International Gas Turbine Conference and Products Show, pp. V01AT01A059-V01AT01A059,  American Society of Mechanical Engineers, 1975.
[[1]] Wenzel L.M., Moss J.E., Mehalic C.M., Effect of Casing Treatment on Performance of a Multistage Compressor, NASA TM X–3175, January 1975.
[[1]] Takata H., Tsukuda Y., Stall Margin Improvement by Casing Treatment—Its Mechanism and Effectiveness, ASME Journal of Engineering for Power, No.1, pp. 121–133, Jan. 1977.
[[1]] Fujita H., Takata H., A Study of Configurations of Casing Treatment for Axial Flow Compressors, Bulletin of JSME, Vol. 27, pp. 1675–1681, 1984.
[[1]] Azimian A.R., Elder R.L. and McKenzie A.B., Application of  Recess vaned Casing Treatment to Axial Flow fans, ASME Journal of Turbomachinery, Vol. 112, pp. 145-150, JANUARY 1990.
[[1]] Hall E.J., Topp D.A., Heidegger N.J., McNulty G.S., Weber K.F., and Delaney R.A., Task 7-Endwall treatment inlet flow distortion analysis, NASA Contractor Report 195468, May 1996.
[[1]] Wilke I., Kau H.P., A Numerical Investigation of the Influence of Casing Treatments on the Tip Leakage Flow in a HPC Front Stage, Proceedings of ASME TurboExpo, Amsterdam, The Netherlands, June 3 – 6, 2002.
[[1]] Beheshti B.H., Teixeira J.A., Ivey P.C., Ghorbanian K. and Farhanieh B., Parametric Study of Tip Clearance-Casing Treatment on Performance and Stability of a Transonic Axial Compressor, ASME Journal of Turbomachinery, Vol. 126, pp. 527–535, October 2004.
[[1]] Engel K., Zscherp C., Wolfrum N., Nürnberger D. and Kügeler E., CFD Simulations of the TP400 IPC With Enhanced Casing Treatment in Off-Design Operating Conditions, Proceedings of ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air, GT2009, Orlando, Florida, USA, June 8-12, 2009.
[[1]] Heinichen F., Gummer V. and Schiffer H. P., Numerical Investigation of a Single Circumferential Groove Casing Treatment on Three Different Compressor Rotors, Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, GT2011, Vancouver, British Columbia, Canada, June 6-10, 2011.
[[1]] Kroeckel T., Jeschke P. and Hiller S.J., Experimental investigation of advanced multistage casing treatments in a 2.5 stage high pressure compressor test rig, 20th Conference of International Society for Airbreathing Engines, Gothenburg, Sweden, September 12-16, 2011.
[[1]] Kim J.H., Choi K.J., Kim K.Y., Aerodynamic analysis and optimization of a transonic axial compressor with casing grooves to improve operating stability, Aerospace Science and Technology, Vol. 29, No. 1, pp. 81-91, 2013.
[[1]] Kim J.H., Kim K.Y. and Cha K.H.,  Effects of Number of Circumferential Casing Grooves on Stall Flow Characteristics of a Transonic Axial Compressor, Applied Mechanics and Materials, Vol. 284, pp. 727-732, 2013.
[[1]] Kim J. H., Choi K. J. and Kim K. Y., Performance evaluation of a transonic axial compressor with circumferential casing grooves,  Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, Vol. 226, No. 2, pp. 218-230, 2012.
[[1]] Taghavi-Zenouz R., and Eslami S., Effects of casing treatment on behavior of tip leakage flow in an isolated axial compressor rotor blade row. Journal of the Chinese Institute of Engineers, Vol. 36, No. 7, pp. 819-830, 2013.  
[[1]] Sakuma, Y., Watanabe, T., Himeno, T., Kato, D., Murooka, T. and Shuto, Y., Numerical Analysis of Flow in a Transonic Compressor With a Single Circumferential Casing Groove- Influence of Groove Location and Depth on Flow Instability, Journal of turbomachinery, Vol. 136, No. 3, 2014.
[[1]] Mirzabozorg M.A.S., Bazazzadeh M. and Hamzezade M., Numerical study on the effect of single shallow circumferential groove casing treatment on the flow field and the stability of a transonic compressor, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 10, No. 1, pp. 257-265 , 2017.
[[1]] AGARD, CFD Validation for propulsion system components, Agard-AR-355, May 1998.
[[1]] Menter F., Ferreira J.C., Esch T., Konno B. and Germany A.C., The SST Turbulence Model with Improved Wall Treatment for Heat Transfer Predictions in Gas Turbines, In Proceedings of the international gas turbine congress, pp. 2-7, Tokyo, 2003.
[[1]] Menter F. R., Review of the shear-stress transport turbulence model experience from an industrial perspective, International Journal of Computational Fluid Dynamics, Vol. 23, No. 4, pp. 305-316, 2009.
[[1]] Ito Y., Watanabe T. and Himeno T.,  Effects of endwall contouring on flow instability of transonic compressor, International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems,  Vol. 2, No. 1, pp. 24-29, 2008.
[[1]] سید مصطفی کیا، شبکه­های عصبی در MATLAB، انتشارات دانشگاهی کیان، 1394.
[[1]] Haupt, Randy L., and Douglas H. Werner. Genetic algorithms in electromagnetics. John Wiley & Sons, 2007.
[[1]] محمدرضا فروزان و محمدرضا نیرومند، روش­های نوین بهینه­سازی، جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان، 1388.