1、MISES软件培训材料,统,目录 contents,MISES软件总体介绍MISES软件用户手册精华,MISES软件应用场景及案例分析,0304,基于MISES软件的优化系统,MISES软件总体介绍,MISES软件的开发背景,MISES英文全称为 Multiple Blade Interacting Streamtube Euler Solver，根源于麻省理工学院 航空航天系Mile Giles和Mark Drela在上世纪80年代开发的ISES软件，后续燃气轮机实验室的 Harold Youngren与上世纪90年代进一步完善了大小叶片和串列叶片分析功能，ISES 升级为MISES。20世
2、纪后Ali Merchant等人又进一步增加了吸附式叶栅分析功能,Mark Drela,Harold Youngren,Mike Giles,MISES软件总体介绍MISES软件的开发背景 MISES全部代码均由Fortran语言编写,MISES软件源代码组织结构,ISES子模块源代码,EDP子模块源代码,MISES软件总体介绍,MISES的同门软件,MISES为麻省理工学院航空航天系Mark Drela开发的一系列软件中的一个，其均具有相似的算法 和界面。其同门软件还有：1.外流翼型设计及分析软件 XFOIL（开源）,2.飞机快速气动分析软件AVL（开源）,3.涵道风扇设计/分析软件DFDC
3、（开源）,MISES软件总体介绍,MISES的同门软件,MISES为麻省理工学院航空航天系Mark Drela开发的一系列软件中的一个，其均具有相似的算法和 界面。其兄弟软件还有：4.螺旋桨设计/分析软件QPROP（开源）,柔性机翼气动、结构及控制响应分析软件 ASWING多通道通流设计/分析软件 MTFLOW Multi-Passage ThroughFLOW Design/Analysis Program多段翼型设计/分析软件 MSES Multi-Element Airfoils Design Analysis Programs线性优化软件 LINDOP Linear Design/Op
4、timization Driver,MISES软件总体介绍,MISES相关资料和代表性论文,资料：A Users Guide to MISES 2.63,M Drela,H Youngren,MIT Computational Aerospace Science Laboratory,February 2008Drela,M.,1995,MISES Implementation of Modified Abu-Ghannam Shaw Transition Criterion,MISES Users Guide,MIT.论文：Mark Drela.Two-Dimensional Transon
5、ic Aerodynamic Design and Analysis Using the Euler EquationsD.Boston：Massachusetts Institute of Technology,1985Youngren,H.,1991,Analysis and Design of Transonic Cascades With Splitter Vanes.Masters thesis,Massachusetts Institute of TechnologyMerchant A A.Design and Analysis of Axial Aspirated Compre
6、ssor StageD.Boston：Massachusetts Institute of Technology,1999Drela,M.and Giles,M.B.(1986)Viscous-Inviscid Analysis of Transonic and Low Reynolds Number Airfoils.AIAA Paper 86-1786,MISES软件总体介绍,MISES相关资料和代表性论文,论文：Drela,M.and Giles,M.B.(1987)ISES:A Two-Dimensional Viscous Aerodynamic Design and Analysi
7、s Code.AIAA Paper 87-0424Merchant A A，Drela M，Kerrebrock J L，et al.Aerodynamic Design and Analysis of a High Pressure Ratio Aspirated Compressor StageR.ASME Paper No：GT-2000-619,2000U.Orth,H.Ebbing,H.Krain,A.Weber,B.Hoffmann Improved Compressor Exit Diffuser for an Industrial Gas Turbine,Journal of
8、Turbomachinery.Jan 2002,124(1)Alexander Krumme,Performance Prediction and Early Design Code for Axial Turbines and its Application in Research and Predesign,ASME Paper No:GT-2016-56082，2016Philip L.Andrew,Harika S.Kahveci,Validation of MISES Two-Dimensional Boundary Layer Code for High-Pressure Turb
9、ine Aerodynamic Design,Journal of Turbomachinery.Jul 2009,131(3):031013Bent Phillipsen,A Simple Inverse Cascade Design Method,ASME Paper No:GT2005-68575John D.Coull,Endwall Loss in Turbine Cascades,Journal of Turbomachinery.Aug 2017,139(8):081004,MISES软件总体介绍谁在使用MISESMISES的用户涵盖了众多业务范围包括轴流式叶轮机械的国内外企业、
10、研究机构和高校,MISES软件总体介绍谁在使用MISESMISES的用户涵盖了众多业务范围包括轴流式叶轮机械的国内外企业、研究所和高校,MISES软件总体介绍,MISES软件可以干些啥,MISES是三维粘性NS计算软件 MISES主要用于叶型S1流面（准三维/二维）的分析 MISES可用于轴流压气机、轴流涡轮、离心压气机、向心涡轮的叶型分析 MISES可用于亚音和超音叶型的分析 MISES可用于吸附式叶型的设计和分析 MISES可用于轴流/离心大小叶片和串列叶片的分析 MISES可用于准三维/二维叶型的反设计 MISES可外接叶型参数化生成器和优化器，进行准三维/二维叶型自动优化,MISES软
11、件总体介绍,MISES软件的模块功能图,ISET 网格生成模块，划分网格及流场初始化ISES 流场分析求解器，正问题和反问题的迭代计算EDP 反设计模块，修改叶型表面压力分布ILPOT 后处理模块，输出各类计算结果和流场图POLAR 批处理计算模块，快速获得叶型攻角-损失特性,BLDSET 叶型调整模块，直接处理叶型几何数据,可用于 光滑叶型、修正中弧线和厚度分布,各模块与输入输出文件指间的关系,MISES软件总体介绍,MISES软件在现代压气机设计体系中的位置,S1流面分析是叶片基元造型后的下一环节,S2通流设计的输出为S1流面分析的边界条件，也是基于S1流面叶型优化的约束条件通过S1流面分
12、析判断叶型设计是否合理，该截面的性能目标是否达到,PCA Engineers公司压气机设计体系,德国宇航院涡轮气动优化设计体系,目录 contents,MISES软件总体介绍MISES软件用户手册精华,MISES软件应用场景及案例分析,0304,基于MISES软件的优化系统,MISES软件用户手册精华第一节概述 两类流面,吴仲华院士于 1952 年提出了S1和S2两类相对 流面理论和S1-S2迭代气动设计体系,相对流面理论把三元流动分解为两个流面上的 二维流动问题求解，利用流片厚度b与流面间 的作用力F将复杂三维流场与简化的二维流场 基本方程相关联S1 流面是一个旋成面，其在子午面上的投影 是
13、一条光滑的流线。不同半径处旋成面与叶片 相交，可以获得不同叶高方向上S1 流面叶型,通过求解S1 流面控制方程获得不同叶高截面S1 流场信息,S1-S2迭代气动设计体系已退出历史舞台，但S1和S2流面仍是现代压气机设计体系中的重 要概念,S1/S2流面及相互关系,S1流面,第一节概述 坐标变换,MISES软件用户手册精华,MISES所有输入几何、网格划分和 计算均定义在标准m-流面坐标系 下z-轴向坐标r-流面半径b-垂直于流线的流片厚度m-子午流线方向m-无量纲子午流线方向,-无量纲周向坐标,直角坐标系与m-流面坐标系相互转换关系,坐标系及流面定义,若为纯二维平面叶栅，MISES默认流面 半
14、径为1，即流面坐标为真实z坐标,第一节概述 坐标变换,MISES软件用户手册精华,Fortan坐标变换代码,直角坐标系到m-坐标系下的转换可以通过梯形积分法则实现i=1时的初值坐标m和可以为任意值，其余点的m和坐标偏移同样的量即可，一般初 值均设为0，即坐标原点放置在前缘点处,第一节概述 基本方程,MISES软件用户手册精华,连续方程,动量方程,能量方程,附面层外的欧拉方程组,附面层内的积分方程,卡门动量积分方程,能量积分方程,MISES在计算过程中把整个流场区域划分为 附面层外的主流无粘区域和附面层内的粘性 区域联立求解,主流无粘区域采用欧拉方程组求解，粘性附 面层区域采用卡门动量积分方程和
15、能量积分 方程求解,迭代计算过程中，1.把整个流场当作无粘流 场使用欧拉方程组求解;2.根据欧拉方程组所 解边界上的速度以及边界层内积分方程，求 得边界层位移厚度;3.根据所求得的边界层位 移厚度划分新的无粘流场区域求解欧拉方程 组;4.求新边界层位移厚度，直至前后两次所 求边界层位移厚度误差达到计算精度，迭代 收敛,第一节概述 收敛速度,MISES软件用户手册精华,粘性边界层区域只须要计算出各边界层厚度而无须计算边界层内的流场分布，从而缩减了 网格数量和计算时间，通常只需迭代1030次，每步计算0.3秒，15秒内即可收敛，相比NS计算极大提高了收敛速度,某典型高亚音叶型计算收敛史,MISES
16、软件用户手册精华第二节输入文件介绍 MISES中各输入输出文件名中的xxx为后缀名，可自由选取用于区别不同的算例。同一个算 例的后缀名应保持一致。,第二节输入文件介绍-blade.xxx,MISES软件用户手册精华,CHINL和CHOUT并非性能参数计算定义的进出口，需要足够大到让性能定义平面落在网格中CHINL和CHOUT越小，甚至小于0也能划分出合适网格（程序自动延伸前后缘段合适网格），但性能 定义平面的参数获取会存在问题CHINL和CHOUT越大，划分网格会出现问题，前后一倍弦长是比较合适的值,第二节输入文件介绍-blade.xxx,MISES软件用户手册精华,除了大小叶片、串列叶片需要
17、定义两个叶型外，一般计算只需要给一个叶型对于纯二维平面叶栅，X(I)和Y(I)为笛卡尔坐标，如Lref 为1则为叶型真实制造坐标叶型坐标顺序从吸力面尾缘点给到前缘点再到压力面尾缘点叶片数据在尾缘处需开口，如果真实叶片在尾缘处使用常见的半圆弧，需要在吸压力面的切点处截断,第二节输入文件介绍-stream.xxx,MISES软件用户手册精华,通过流面厚度考虑AVDR的影响，流面厚度进出口比通过S2叶排进出口计算站的计算结果和连续方程 得到1.Va1.r1.b1=2.Va2.r2.b2=constant若无stream.xxx文件时，默认AVDR=1，不考虑流面厚度和AVDR的影响流面厚度输入为相对
18、值，推荐叶型前缘点流片厚度设置为1，从而求得尾缘处的流片厚度。通常沿流 向给若干个位置的流面厚度，其值根据叶型前缘和尾缘线性插值得到流面厚度的可选修正量用来调整流面厚度使其更真实反映端壁损失和冷却流量的加入,第二节输入文件介绍-stream.xxx,MISES软件用户手册精华,有无stream文件对某亚音叶型的影响（左图AVDR=1，右图AVDR=1.197）,有无stream文件对某音叶型的影响（左图AVDR=1，右图AVDR=1.184）,第二节输入文件介绍-loss.xxx,MISES软件用户手册精华,非必须输入文件，绝大多数情况下可忽略通过额外模拟端壁损失、泄漏损失等跟叶型无关的损失,
19、损失的分布位置会影响表面马赫数分布，损失设置过大会计算收敛性对于具有明确物理意义的损失生成过程，P沿流向应该单调减少,典型loss.xxx输入文件,MISES软件用户手册精华第二节输入文件介绍-loss.xxx,无附加损失和两种不同附加损失的计算结果对比,第二节输入文件介绍-suction.xxx,MISES软件用户手册精华,虚,虚,非必须输入文件，当不模拟 附面层抽吸效应时可忽略Sside为m-坐标系下滞点 至尾缘的距离，由于虚拟抽 吸槽固定在网格上，当滞点 移动时虚拟抽吸槽的位置会 轻微的随着滞点移动,德宇航超音叶型抽吸前后表面马赫数分布对比,第二节输入文件介绍-ises.xxx,MISE
20、S软件用户手册精华,GVAR(I)和GCON(I)为全局变量和约束，根 据计算类型不同而有不同设置，输入顺序没 有要求一个GVAR(I)对应一个GCON(I)，数目需一 致（仅模态反设计和参数化反设计时GVAR 数多于GCON，且不推荐使用）只有当所有变量均被约束条件合理约束后，流场中才不会产生非物理解（非真实流场）,全局变量列表,第二节输入文件介绍-ises.xxx,MISES软件用户手册精华,如果15-18的约束均未选中，MISES将自动 使用MINLin和SINLin约束确定进口马赫数和 流量，因此在亚音计算时并不需要在输入文 件中指定约束15当出现阻塞工况或轴向马赫数超音时，需在 变量
21、和约束项的输入中加上“6”“6,6”也可使用在亚音非阻塞工况时，但会 带来额外10%的CPU计算量，因此亚音计算 不推荐使用,全局变量列表,第二节输入文件介绍-ises.xxx,MISES软件用户手册精华,性能计算截面并非网格进出口处，流向坐标需落入网格区域在XOUT处，认为流动已经完全掺混，根据守恒定律计算掺混后的参数值亚音算例按进口气流角工况计算时出口背压可设置为0，但超音工况由于存在进口唯一攻角状态，需 使用出口背压计算,第二节输入文件介绍-ises.xxx,MISES软件用户手册精华,REYNin定义为基于参考长度的雷诺数，若参考长度弦长则为真实雷诺数设置TRANSx=1即不在叶片表面
22、指定转捩位置，完全使用程序内部的转捩判断标准MISES使用修正的Abu-Ghannam/Shaw转捩经验关系式和eN转捩模型，在计算中同时开启并判断转捩 是否发生,NCRIT为正值时的湍流度计算,NCRIT为负值时的临界放大因子计算,第二节输入文件介绍-ises.xxx,MISES软件用户手册精华,转捩过程的复杂不仅在于其发生机理，同时也在它受很多因素影响，主要包括：压力梯度、雷诺数、几何曲率、湍流度与湍流的尺度、表面粗糙度等。这些因素有时会共同作用影响转捩过程的产生、发展，并且很难分别控制 这些影响因素单独作用于转捩过程由于流动转捩机理的复杂性，预测转捩位置的理论还不成熟，到目前为止仍然没有
23、一个模型能够描述所有的转 捩过程。工程上常用的转捩判断方法包括基于线性稳定性理论的eN转捩模型和各种转捩经验关系式方法，其中 最为典型的经验关系式有Abu-Ghannam/Shaw的转捩经验关系式等Drela在将Abu-Ghannam/Shaw的经验关系式引入到MISES中时发现该准则在进行耦合运算的时候会产生不稳 定性结果。为了克服这一问题，对Abu-Ghannam/Shaw判定准则进行了改进，用形状因子H代替Thwaites 压力 梯度参数 作为决定动量厚度雷诺数的变量,原始Abu-Ghannam/Shaw经验关系式,改进后的判定准则,第二节输入文件介绍-ises.xxx,MISES软件用
24、户手册精华,当流场中存在强激波时，MUCON需设置成较高值，如1.5左右。并同时减少MCRIT值当MUCON为负值时，关闭二阶耗散项，仅使用一阶耗散,第二节输入文件介绍 典型输入文件设置,MISES软件用户手册精华,1）亚音进口，约束为进口马赫数和气流角（亚音计算最常用设置）,2）亚音进口，约束为进口马赫数和出口背压,3）超音进口，约束为进口马赫数和出口背压（超音计算最常用设置）,4）超音进口，约束为进口马赫数和进口气流角,5）混合反设计模式,第1-4行，全局变量、约束和流场参数,第二节输入文件介绍 典型输入文件设置,MISES软件用户手册精华,第6-7行，粘性流场参数,2）粘性分析，通过给定
25、临界放大因子实现自由转捩,3）粘性分析，通过给定进口湍流度实现自由转捩,第8行，等熵和耗散参数,1）无粘分析1）流向动量守恒，二阶耗散,2）熵守恒，阻塞工况时不可用,3）除激波处其它区域熵守恒，推荐使用,4）增加耗散系数粘性分析，在吸力面50%弦长和压力面70%弦长处转捩5）一阶耗散，预期有强激波时使用大小叶片粘性分析，在主叶片指定转捩位置,第三节子模块介绍-ISET,MISES软件用户手册精华,在MISES交互主界面选择选项4后进入ISET模块，按设定参数生成网格，并对密度等求解变量初始化ISET与MISES其它子模块均通过目录驱动与用户进行交互，交互界面中的1、2、3和4项为生成网格 的必
26、须依次操作项,MISES交互界面,网格ISET交互界面,第三节子模块介绍-ISET,MISES软件用户手册精华,两种不同进口斜率下的网格拓扑选项1设置进口斜率参数，可手动设置也可输入-999自动设置进口斜率的设置会影响前缘处Cp的突尖，选项6可用来查看Cp是否合理输入-999使用库塔条件（前缘点处的负荷为0）自动生成最优进口网格斜率，也会减小前缘处的Cp突尖,第三节子模块介绍-ISET,MISES软件用户手册精华,三种不同进口斜率下的Cp分布当前缘半径很小时，理想进口斜率的范围非常小为了简化获得理想进口斜率的过程，可使用前缘库塔条件自动获得前缘0载荷时的斜率,第三节子模块介绍-ISET,MIS
27、ES软件用户手册精华,网格,选项2调整网格设置参数，一般关注调前后缘网格密度sLE/dsAvg,dsTE/dsAvg，叶型上的网格点数 Number of points，其余选择默认值即可尺寸参数，是局部表面曲率k、曲率指数b和系数a的函数。在高曲率区域，网格尺寸较小。在Mises2.1以后，使用局部/平均尺寸参数来代替真实尺寸参数前缘和尾缘处的网格加密有时会影响计算收敛性，如dfvlr算例时前缘间距为默认值计算发散，但改成0.1时计 算收敛,第三节子模块介绍-ISET,MISES软件用户手册精华,叶型上的网格点数Number of points增加或减少会影响损失计算结果，通常使用默认值即可
28、,N=40,N=60,N=80,N=100,N=120,第三节子模块介绍-ISET,MISES软件用户手册精华,网格生成中的参数提示只有dsLE/dsAvg可以通过输入参数精确控制，其余输入的间距比只是近似值偏移型网格由于拓扑结构的原因，吸压力面的网格数并不相等，因此Number of points指定的是吸压力面的 平均网格,第三节子模块介绍-ISET,MISES软件用户手册精华,选型3激活椭圆型网格光滑器SLOR，消除网格中的扭曲、重叠，并使网格线与无粘不可压流线对齐，为ISES 求解器获得理想的初场选项4保存网格至idat.xxx中，作为ISES求解器的输入文件可通过选项5查看生成的网格
29、,第三节子模块介绍-ISET,MISES软件用户手册精华,ISET会根据马赫数和叶片进出口几何角特征程序自动调整进出口的网格类型选项7可手动调整网格数和网格拓扑类型据，其中t为I型偏移型网格，f为H型代数网格当网格倾斜度较大时，超音计算很难收敛，更适合使用I型偏移网格，而亚音算例更能忍受网格正交性较差当网格生成参数调整好后，可通过选项8将参数保存至gridpar.xxx网格模板文件中。需再次打开ISET程序生 成网格时，gridpar.xxx文件将自动读入，使网格生成参数自动调整为保存值,第三节子模块介绍-ISES,MISES软件用户手册精华,在MISES交互主界面选择选项1后读入ises.x
30、xx文件，并在终端中 显示计算设置参数信息和全局变量约束信息ISES是MISES求解欧拉方程的主求解器，在终端输入迭代次数N后调用ISES开始计算输入N0时，ISES求解器迭代计算N步输入N=0时，将流场信息写入idat.xxx文件中并终止计算输入N0时，ISES求解器迭代计算|N|步，再将流场信息写入idat.xxx文件中并终止计算残差收敛标准0.110E-5 固化在源代码EPS.INC文件里，只能重 新编译后更改当流场中马赫数过低（如低于0.1），或流场中存在显著的大分离 区，残差一般无法达到常规收敛标准计算收敛后会提示“Converged on tolerance”,第三节子模块介绍-I
31、PLOT,MISES软件用户手册精华,在MISES交互主界面选择选项2后进入IPLOT子模块，用来查对收 敛后的流场信息进行后处理1-叶片表面流场信息图-流管信息图-云图/网格图-尾迹轮廓图-流面信息图-整周视图-导出主流区流场信息至文本文件-导出附面层信息至文本文件常用选项为1和3。在选项 1中可以查看叶型表面压力、等熵马赫 数、边界层位移厚度和动量、形状因子和表面摩擦系数、动力厚 度雷诺数等参数的分布；在选项 3 中可以查看流场的马赫数和压 力分布图,如使用其它流场可视化软件进行后处理可使用选项7和8将主流区 流场和附面层信息导出,IPLOT界面选项图,MISES软件用户手册精华第三节子模
32、块介绍-IPLOT,最常使用的后处理图,第三节子模块介绍-EDP,MISES软件用户手册精华,在MISES交互主界面选择选项3后进入EDP反设计子模块，包 括混合反设计、模态反设计和参数化反设计三种反设计方法，推荐使用混合反设计反设计方法可分为纯反设计Full-Inverse以及混合反设计 Mixed-Inverse。纯反问题设计中需要给定气动载荷和初始几 何，通常采用带渗透边界条件的反方法求解器混合反设计中，针对原始叶型采用正问题求解得到叶型表面压 力分布，结合流场信息以及设计要求，采用反方法对叶片表面 局部区域的压力分布进行有目的地修改，从而实现对流场的细 微控制，如调整载荷特性、弱化激波
33、等。该方法的思想是将叶 型分割进行局部反设计，分割区域约束压力边界条件，其余区 域施加正问题固壁边界条件。在分割点处约束节点位移为0相对于纯反设计，混合反设计将气动目标与叶型几何紧密联系起来，帮助设计者从对流场的分析快速转换到对流场的控制上，减小叶片表面压力分布选取的盲目性。,通过在较小的范围内调整马赫数分布以加快计算收敛速度。这 种混合反设计模式通常只需迭代计算若干步即可获得收敛解,混合反设计模型图,第三节子模块介绍-EDP,MISES软件用户手册精华,EDP界面选项图,EDP压力编辑器界面选项图使用EDP反设计模式的前提是正问题分析已获得的收敛解已保存至idat.xxx中在MISES交互主界面选择选项3后进入反设计模式，其中常用选项是1压力编辑器、3将修改的压力分布写 入idat.xxx、13导出反设计后的叶型流面坐标,第三节子模块介绍-EDP,MISES软件用户手册精华,反设计修改表
