Wave rotors are unsteady flow machines that exchange energy through pressure waves. This has the potential for enhancing efficiency over a wide spectrum of applications, ranging from gas turbine topping cycles to pressure-gain combustors. This paper introduces an aerodynamic shape optimisation of a power generating non-axial micro-wave rotor turbine and seeks to enhance the shaft power output while preserving the wave rotor’s capacity to function as a pressure-exchanging device. The optimisation considers six parameters including rotor shape profile, wall thickness, and number of channels and is done using a hybrid genetic algorithm that couples an evolutionary algorithm with a surrogate model. The underlying numerical model is based on a transient, reduced-order, quasi-two dimensional computational fluid dynamics model at a fixed operating condition. The numerical results from the quasi-two-dimensional optimisation indicate that the best candidate design increases shaft power by a factor of 1.78 and imply a trade-off relationship between torque generation and pressure exchange capabilities. Further evaluation of the optimised design using three-dimensional computational fluid dynamics simulations confirms the increase in power output at the cost of increased entropy production. It is further disclosed that increased incidence losses during the initial opening of the channel to the high-pressure inlet duct compromise the shock strength of the primary shock wave and account for the decrease in pressure ratio. Finally, the numerical trends are validated using experimental data.

波浪转子是通过压力波交换能量的不稳定流体机械。这具有在从燃气轮机加气循环到增压燃烧器的广泛应用中提高效率的潜力。本文介绍了一种发电非轴流微波转子涡轮的空气动力学形状优化，并试图在保持波浪转子用作压力交换装置的能力的同时，提高轴功率输出。优化过程考虑了六个参数，包括转子形状轮廓，壁厚和通道数量，并使用混合遗传算法完成，该算法将进化算法与替代模型结合在一起。基本的数值模型基于瞬态降阶，固定工况下的准二维计算流体动力学模型。准二维优化的数值结果表明，最佳候选设计将轴功率提高了1.78倍，并暗示了扭矩生成和压力交换能力之间的权衡关系。使用三维计算流体动力学模拟对优化设计进行进一步评估，以增加熵产生为代价，确认了功率输出的增加。还公开了，在通道到高压入口管道的初始打开期间增加的入射损失增加了主冲击波的冲击强度，并导致了压力比的降低。最后，使用实验数据验证了数值趋势。准二维优化的数值结果表明，最佳候选设计将轴功率提高了1.78倍，并暗示了扭矩生成和压力交换能力之间的权衡关系。使用三维计算流体动力学模拟对优化设计进行进一步评估，以增加熵产生为代价，确认了功率输出的增加。还公开了，在通道到高压入口管道的初始打开期间增加的入射损失增加了主冲击波的冲击强度，并导致了压力比的降低。最后，使用实验数据验证了数值趋势。准二维优化的数值结果表明，最佳候选设计将轴功率提高了1.78倍，并暗示了扭矩生成和压力交换能力之间的权衡关系。使用三维计算流体动力学模拟对优化设计进行进一步评估，以增加熵产生为代价，确认了功率输出的增加。还公开了，在通道到高压入口管道的初始打开期间增加的入射损失增加了主冲击波的冲击强度，并导致了压力比的降低。最后，使用实验数据验证了数值趋势。在图78中，这意味着扭矩产生和压力交换能力之间的折衷关系。使用三维计算流体动力学模拟对优化设计进行进一步评估，以增加熵产生为代价，确认了功率输出的增加。还公开了，在通道到高压入口管道的初始打开期间增加的入射损失增加了主冲击波的冲击强度，并导致了压力比的降低。最后，使用实验数据验证了数值趋势。在图78中，这暗示了转矩产生和压力交换能力之间的折衷关系。使用三维计算流体动力学模拟对优化设计进行进一步评估，以增加熵产生为代价，确认了功率输出的增加。还公开了，在通道到高压入口管道的初始打开期间增加的入射损失增加了主冲击波的冲击强度，并导致了压力比的降低。最后，使用实验数据验证了数值趋势。使用三维计算流体动力学模拟对优化设计进行进一步评估，以增加熵产生为代价，确认了功率输出的增加。还公开了，在通道到高压入口管道的初始打开期间增加的入射损失增加了主冲击波的冲击强度，并导致了压力比的降低。最后，使用实验数据验证了数值趋势。使用三维计算流体动力学模拟对优化设计进行进一步评估，以增加熵产生为代价，确认了功率输出的增加。还公开了，在通道到高压入口管道的初始打开期间增加的入射损失增加了主冲击波的冲击强度，并导致了压力比的降低。最后，使用实验数据验证了数值趋势。