Multidisciplinary Design Optimization (MDO) of Transonic Fan Blade

La conception de pales d'un rotor est une tâche complexe et difficile en raison de l'écoulement transsonique, du large espace de design et de l'implication de plusieurs disciplines de l'ingénierie dans le but d'augmenter les performances de métriques multidisciplinaire tels que l'efficacité, le rapport de pression, le stress. Pour faire face à tous ces défis, une comparaison d'approches pour les optimisations aérodynamiques et multidisciplinaires automatisés (MDO) des pales de soufflante transsonique est présentée. Le processus de conception proposé intègre une méthode de paramétrisation géométrique des pales, une modélisation CAO et des outils d'analyse hautefidélité pour l'aérodynamique, la structure et la dynamique. Une méthode de paramétrisation de pales à multi-niveau a été utilisée pour modifier efficacement la géométrie de la pale avec un faible nombre de variables de conception. Le modèle CAO a été construit dans CATIA afin d'utiliser un modèle commun pour les analyses de structure et dynamiques. Le modèle des équations de Navier-Stokes (RANS) tridimensionnelles moyennées intégré au logiciel commercial CFD ANSYS CFX, a été utilisé pour l'analyse aérodynamique du rotor transsonique tandis qu'un modèle éléments finis (EF) implémenté sur ANSYS a été utilisé pour réaliser les analyses de structure et dynamique. Des algorithmes d'optimisation heuristiques et hybrides sont utilisés pour résoudre le problème d'optimisation de la forme des pales. La vérification des codes et des méthodes a été effectuée en comparant les résultats calculés à des données expérimentales disponibles dans la littérature pour le NASA Rotor 67, un cas test représentatif d'écoulement complexes en trois dimensions. Afin de vérifier la faisabilité du processus automatisé intégré dans l'optimisation, une optimisation aérodynamique visant à maximiser l'efficacité du point de conception tout en maintenant le débit massique et le rapport de pression constant, est élaboré et exécuté pour redessiner le cas de test Rotor 67. En outre, ce cas a aidé à sélectionner l'algorithme d'optimisation adapté à la résolution du problème et explorer l'espace de conception. Cependant, la conception de pale de soufflante transsonique est inévitablement un processus pluridisciplinaire qui nécessite la participation de nombreuses disciplines telles que l'aérodynamique, la structure, la dynamique, etc., au cours des différentes étapes du processus de conception. En outre, les procédures de conception actuelles impliquent une optimisation de la structure et de la dynamique après l'optimisation aérodynamique.

Abstract

The design of current transonic fan blades is a complex and challenging task due to multifaceted transonic flow field, large design space and involvement of many engineering specialists to increase performance on multidisciplinary metrics such as efficiency, pressure ratio, stress. To tackle all these challenges, a comparison of approaches for the automated aerodynamic and multidisciplinary optimizations (MDO) transonic fan blades is developed. The developed design process integrates the fan blades geometrical parameterization method, CAD modeling and highfidelity analysis tools for aerodynamics, structure and dynamics disciplines. A multi-level parameterization method of fan blade was utilized to efficiently modify the blade geometry with a low number of design variables. The CAD model was built in CATIA, to use a common model for structure and dynamic analyses. The three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations based commercial software ANSYS CFX was used for aerodynamic analysis of transonic rotor; whereas Finite Element (FE) analysis based commercial software ANSYS Mechanical was used to conduct the structure and dynamic analyses. Heuristic and hybrid optimization algorithms are employed to solve the fan design optimization problem. The capability of the codes and methodologies was validated by comparing the computed results to experimental data available in the open literature for NASA Rotor 67, a test case representative of complex three-dimensional flow structures in transonic blade design problems. In order to verify the feasibility of automated integrated optimization working flow, an aerodynamic optimization aiming to maximize the design point efficiency while maintaining the mass flow rate and pressure ratio, is formulated and executed to redesign a test case. It further helped to select the suitable optimization algorithm and explore the design space. However, transonic fan blade design is inevitably a multidisciplinary process which requires involvement of many disciplines such as aerodynamics, structure, dynamics, etc., during different stages of design process. In addition, the current design procedures involved the structure and dynamic disciplines optimization after aerodynamic discipline i.e. a sequential discipline optimization. The main drawback of this procedure is that a good aerodynamic design might not satisfy the structural and dynamic design requirements which make this design procedure an iterative