بهينه سازي هندسي ديفيوزر خروجي توربين گاز نمونه با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي و الگوريتم ژنتيك

Optimization of a Typical Gas Turbine Exhaust Diffuser by CFD and Genetic Algorithm

هدف اين مقاله يافتن طراحي بهينه براي يك ديفيوزر خروجي توربين گاز نمونه است. جهت دستيابي به ضريب بازيافت فشار استاتيك حداكثر با وجود جريان چرخشي، از يك الگوريتم تكاملي استفاده شده است. فرايند بهينه‌سازي در سه حالت مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. در ابتدا با در نظر گرفتن يك پروفيل ثابت از هاب تا شرود براي پوشش پايه نگهدارنده، بهينه‌سازي انجام شده است. در مرحله دوم، دو پروفيل براي پوشش پايه نگهدارنده ياتاقان يكي در مقطع هاب و ديگري در مقطع شرود انتخاب شده است. نهايتا، فرايند بهينه‌سازي براي هندسه ديفيوزر و پوشش پايه نگهدارنده ياتاقان بصورت همزمان انجام شده است. به منظور توليد پروفيل هاي مربوط به شكل پوشش پايه‌هاي نگهدارنده ياتاقان از روش پارامتري‌سازي پارسك استفاده شده است. حل جريان آشفته و سه‌بعدي با كمك ديناميك سيالات محاسباتي انجام گرفته است. مساله بهينه‌سازي ابتدا با يك نمونه برداري اوليه از فضاي حل آغاز شده و در ادامه از الگوريتم ژنتيك براي يافتن بهينه كلي استفاده شده است. بهينه‌سازي براي جريان چرخشي در خروجي توربين با عدد رينولدز 105×1.7 براساس قطر هيدروليكي در ورودي ديفيوزر انجام گرفته است. تمامي مراحل اجراي الگوريتم ژنتيك و فرايندهاي توليد مدل، توليد مش با توربوگريد، حل جريان با انسيس سي اف ايكس و محاسبه تابع هدف براي هريك از اعضا جمعيت در هر نسل از الگوريتم ژنتيك بصورت كاملا خودكار درون نرم‌افزار متلب پياده سازي و اجرا شده است. در نتيجه بهينه‌سازي ضرايب بازيافت فشار استاتيك ديفيوزرها در مراحل اول، دوم و سوم به ترتيب %1.94، %3.1 و %7.42 افزايش مي‌يابند.

The purpose of this paper is to find the optimum design of a typical gas turbine exhaust diffuser. In order to access the maximum overall static pressure recovery at the condition of swirling flow, an evolutionary algorithm is used. The optimization process is studied in three independent cases. Firstly, the optimization is done for a single profile of strut cover from hub to shroud. Secondly, two profiles are selected for the strut covers, one in the hub section and the other in the shroud section. Finally, the optimization process is done for the strut cover and diffuser channel geometries simultaneously. In order to produce the strut cover profiles the PARSEC parameterization method is used. The turbulent 3D flow is solved using computational fluid dynamic (CFD). The optimization process starts with the initial sampling of solution domain and subsequently the genetic algorithm (GA) is used to find the global optimum. The swirling flow at the turbine exit with the Reynolds number of 1.7 ×105 based on the hydraulic diameter of the diffuser inlet is optimized. All steps of GA and corresponding processes of model creation, mesh generation by TurboGrid, flow simulation by ANSYS CFX and goal function calculation for all members of each generation are coded in the MATLAB platform. As a result of the optimization, the pressure recovery coefficients increased 1.94%, 3.1% and 7.42% in the first, second and third cases of the optimization process respectively.