بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به مطالعات آیرودینامیک مافوق صوت در کسکید کمپرسور محوري یک موتور توربوجت واقعی پرداخته شده است. در این مطالعات ابتدا هدف بررسی تجربی الگوي جریان و سیستم امواج ضربه اي در این کسکید می باشد. سپس بهینه سازي شکل آیرودینامیک کسکید، یکبار براي تابع هدف نسبت فشار استاتیک و بار دیگر براي تابع هدف ضریب افت فشار کل انجام شده است. براي انجام تست هاي آزمایشگاهی از یک تونل باد مافوق صوت با مدار نیمه بسته، سیستم داده برداري براي اندازه گیري فشار و یک سیستم سایه نگاري براي مشاهده الگوي امواج استفاده شده است. در فرآیند بهینه سازي، ابتدا تعدادي پروفیل مختلف با توزیع ضخامت و انحناي متغیر، تولید شده و سپس تحت تحلیل عددي جریان قرار گرفتند.
با استفاده از پایگاه داده هاي حاصل شده، پس از آموزش شبکه عصبی، براي ارزیابی توابع هدف، که نسبت فشار و ضریب افت فشار کل است، به کمک الگوریتم ژنتیک کار بهینه سازي انجام شده است. به این ترتیب پروفیل هاي بهینه براي تامین توابع هدف مشخص شده اند. نتایج حاصله %5/5 بهبود در نسبت فشار و %6/8 بهبود در افت فشار کل را نشان داده اند.
واژه هاي کلیدي کسکید مافوق صوت کمپرسور محوري، بهینه سازي شکل آیرودینامیک، تست آزمایشگاهی مافوق صوت، الگوریتم ژنتیک، شبکه عصبی
مقدمه
پتانسیلهاي بالاي طراحی با توجه به نسبت فشار بالا و جریان جرمی بالا، سبب رویکرد به کمپرسورهاي گذرصوتی و مافوق صوت گردیده است. این مزایا مخصوصاً در مورد موتورهاي جت بسیار جالب توجه است؛ چرا که افزایش در نسبت فشار یک طبقه، منجر به کاهش تعداد طبقات و وزن کل میشود. یکی از مشکلات اصلی اینگونه از کمپرسورها به خاطر این است که لایه مرزي نمیتواند افزایش فشار بالا را تحمل کند.
نه تنها اثرات خالص اصطکاك بلکه مخصوصاً جدایش لایه مرزي از دلایل راندمان نسبتاً ضعیفتر در ماخهاي ورودي بالا هستند. به علاوه، لایه مرزي میتواند به خاطر مسائلی همچون جدایش و آشفتگی باعث ناپایداريهایی در جریان نیز بشود و ممکن است الگوي جریان مورد نظر را تحت تاثیر قرار دهد . همچنین وقتی جریان مافوق صوت باید در گذرگاه پرهها کاهش سرعت داشته باشد، مشکلات دیگري نیز به وجود میآید و آنچه که به عنوان شرایط راهاندازي شناخته میشود باید ارضا شود. مروري بر روشهاي مدرن پیرامون محاسبات لایه مرزي توسط اسمیت و پیرامون تداخلات موج ضربهاي و لایه مرزي توسط گرین منتشر شده است.
در این مقاله، ضمن بررسی تجربی ساختار امواج در کسکید کمپرسور محوري به تحلیل عددي کسکید در شرایط جریان مافوق صوت و اعتبارسنجی نتایج با استفاده از نتایج آزمایشهاي تونل باد ارائه میگردد. در ادامه تعدادي پروفیل مختلف با توزیع ضخامت و انحناي متغیر تولید شده و سپس تحت تحلیل عددي جریان قرار گرفتهاند. با استفاده از پایگاه دادههاي حاصل شده، پس از آموزش شبکه عصبی، براي ارزیابی توابع هدف، که نسبت فشار و ضریب افت فشار کل است، به کمک الگوریتم ژنتیک فرایند بهینهسازي صورت پذیرفته است.
معرفی کسکید مورد بررسی
کسکید کمپرسور مورد مطالعه مربوط به مقطعی در موقعیت شعاعی%90 پرههاي طبقات اولیه یک کمپرسور محوري موتور توربوجت میباشد. با توجه به سرعت دورانی و فاصله شعاعی مقطع مورد مطالعه از محور دوران، سرعت نسبی ورودي مافوق صوت خواهد بود. دماي کل ورودي 286 کلوین میباشد. مشخصات هندسی کسکید و شرایط جریان از قبیل زوایاي ورودي در مشاهده میشود.
میسازد و به آن زاویهي برخورد یکتا میگویند. جریان در بالادست سرعتهاي خروجی با مؤلفه محوري مافوق صوت، فشار پشت یک ردیف پرهها باید متناوب باشد. بنابراین یک رابطه واحد بین عدد ماخ پارامتر مستقل نبوده و به تنهایی از جریان ورودي و هندسهي و زاویهي جریان ورودي وجود دارد که تابعی از هندسهي کسکید و کسکید محاسبه میگردد. به عنوان مثال در، الگوي عدد ماخ بالادست میباشد.
شرایط زاویهي برخورد یکتا، یک جریان جریان، نشان دهندهي جریان خروجی مافوق صوت با مولفه محوري جرمی خاص را دیکته میکند. به این پدیده، مسئلهي ورودي نیز مادون صوت میباشد. بنابراین موج چپگراي ایجاد شده در لبه فرار به میگویند.سطح فشار پره بالایی برخورد میکند. در اگر سرعت جریان مافوق صوت کاهش بیابد تا آنجا که عدد ماخ زوایاي برخورد منفی، نواحی فشار بالا و فشار پایین در نزدیکی لبه محوري جریان ورودي، مادون صوت شود، امواج چپگرا بدون برخورد حمله پروفیلها - نواحی تیره و روشن - قابل مشاهده میباشند. با سطح فشار پره بالایی، از جلوي کسکید عبور میکنند.
مشاهده میشود که در صورت برخورد موج به دنباله، در نواحی نزدیک لبه فرار، موج کاملاً منعکس میشود، در زاویه 2˚، بر روي دنباله پره میانی - . اما با حرکت محل برخورد به سمت پایین دست جریان، بسته به قدرت موج برخورد کننده، موج ضربهاي پس از برخورد با دنباله، کمی منحرف شده و قسمتی از آن منعکس میشود، در زاویه -2˚، بر روي دنباله پره پایینی و میانی - . اگر محل برخورد موج و دنباله به اندازه کافی از لبه فرار فاصله گرفته باشد، موج میتواند به طور کامل از دنباله عبور کرده - مثل شکل-2ج در زاویه برخورد یا حتی دنباله را تحت تأثیر قرار دهد، شکل.3 براي مطالعه بیشتر پیرامون تست این کسکید میتوان به مرجع مراجعه نمود.
تحلیل عددي میدان جریان
در شبکهبندي میدان جریان کسکید، باید دو طرف دامنه که در واقع قسمت بالایی و زیرین دامنه حل را شکل میدهند، به علت تناوب جریان، از شرط مرزي پریودیک استفاده نمود. اما از آنجاییکه جریان ورودي مافوق صوت است با مولفه محوري مادون صوت، در این حالت باید زاویه ورودي جریان، که زاویه برخورد یکتا نامیده میشود معین باشد. براي تعیین این زاویه و تحلیل عددي کسکید نامتناهی میتوان به مرجع مراجعه نمود. اما در این مقاله به تحلیل عددي شرایط تست پرداخته شده است.
پس از بررسی مسئله استقلال جوابها از شبکه محاسباتی، تعداد 20 پارامتر براي تعریف توزیع انحنا انتخاب شده است. نحوه تحلیل اولیه براي تخمین زاویه برخورد در دو مرحله با حجم شبکه تعریف این پارامترها و همچنین نحوه تعریف هندسه در شکل6 آمده متفاوت انجام شده است. دامنه محاسباتی نهایی شامل97000 سلول است. بوده است. این شبکه بر اساس گرادیان طول وتر و زاویه استگر از قیود هندسی میباشند.
با استفاده از فشار در نواحی امواج ضربهاي ریزتر شده است. براي تحلیل دقیقتر و نوار ابزار با تغییر پارامترها و لایه مرزي، اطراف پروفیلها از مش باسازمان 0-type استفاده شده ایجاد رابطه بین آنها، تعداد ایرفویلهاي مورد نیاز بانک اطلاعاتی است. تحلیل حاضر با استفاده از مدل آشفتگی و اسکیم تولید شده است. در این مرحله 60 ایرفویل براي تحلیل عددي ایجاد گسستهسازي AUSM صورت گرفته است. در این تحلیل مقدار عدد شد.
هندسه پروفیل پایه و نحوه تعریف متغیرها
ارزیابی توابع هدف و تکمیل مجموعه آموزشی شبکه عصبی در این قسمت، توابع هدف که همان نتایج تحلیلهاي عددي میباشند محاسبه میشوند تا مجموعه دادههاي آموزشی و ارزیابی شبکه تکمیل شود. دو تابع هدف نسبت فشار و افت فشار کل براي بهینهسازي شکل در نظر گرفته شده است. تحلیلهاي عددي با توجه به مرجع براي 60 پروفیل به انجام رسید. کانتور عدد ماخ براي دو پروفیل نمونه در شکل7 براي ارائه یک دید کلی از کیفیت جریان نشان داده شده است.
آموزش شبکه عصبی
در این مقاله با توجه به مرجع و مزایاي شبکههاي RBF، راهبرد استفاده از این شبکهها در پیش گرفته شده است. با توجه به توزیع نرمال خطاها، انحراف استاندارد، و اثر تغییرات ثابت پخش بر روي خطاي شبکه، مقدار ثابت پخش تعیین میشود. در تحلیل حاضر، مقدار ثابت پخش براي آموزش شبکههاي اول و دوم که براي تابع هدف نسبت فشار و افت فشار کل تولید شدهاند، به ترتیب 0/1 و 0/2 در نظر گرفته شده است.
