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Constrained aerodynamic and heat transfer optimization of gas turbine blades using an adjoint approach

Authors
Publisher
McGill University
Publication Date
Keywords
  • Engineering - Mechanical
Disciplines
  • Computer Science
  • Geography

Abstract

Ce travail de recherche présente une approche adjointe capable d'optimiser les propriétés aéro-thermique de cascades de turbine à gaz. Le solveur est un flux de Reynolds-moyenne de Navier-Stokes code applicable aux maillages structurés. Le flux régissant les équations sont discrétisées en utilisant un schéma de second ordre de volumes finis et pour la dissipation artificielle, la méthode Jameson-Schmidt-Turkel (JST) est appliquée afin de saisir le choc avec précision. Le code utilise un schéma modifié Runge-Kutta à 5-étapes pour la discrétisation temporelle et utilise la méthode multigrille, pas de temps explicite, et des pas de temp locale pour accélérer de la convergence. Pour une cascade refroidie extérieurement, un modèle d'injection à terme source est mis en oeuvre pour modéliser l'effet de refroidissement externe sur le transfert de chaleur à la surface de la pale. Le méthode du transfert de chaleur couplé conjugué (CHT) est appliquée pour considérer l'effet du refroidissement par convection interne et d'obtenir la température de l'interface fluide-solide à la surface de la pale. Un solveur d'éléments finis est é développé pour résoudre l'équation de l'énergie dans le domaine solide et l'équation régissant est résolu par l'application du schéma faibles-Galerkin discrétizé d'éléments finies où un maillage linaires triangulaire non-structuré est adopté pour le domaine fluide. La température à l'interface solide-fluide est calculée en utilisant la méthode Flux Devant Température Arrière (FFTB) aux conditions limites à travers l'interface. La procédure d'optimisation est à base de gradients et l'optimisation de la forme de cascade est accompli par SNOPT, un logicielle de programmation quadratique séquentielle qui est capable de traitement automatique d'un écoulement linéaire et/ou non linéaireet des contraintes géométriques. Pour bien calculer les gradients, une méthode adjointecontinue est utilisée, et afin d'être compatible avec la condition limite de flux,une approche basée caractéristique est utilisée pour les conditions limites adjointe.Le solveur d'écoulement est validé pour plusieurs cas standard de turbomachines.La procédure d'optimisation est appliquée à plusieurs cascades de turbomachinesvisqueuses et non visqueuses pour les propriétés aérodynamiques et/ou thermique.L'algorithme d'optimisation développée démontre l'efficacité de l'optimisation des turbomachines en deux dimensions où il fournit des résultats promettant en termes de réduction des fonctions objectives, tout en respectant le flux imposé et des contraintes géométriques.

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