專利名稱：一種基于cfd的離心泵多工況水力優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于離心泵水力優(yōu)化領(lǐng)域，具體涉及一種基于CFD的離心泵多工況水力設(shè) 計(jì)方法，主要用于指導(dǎo)離心泵的水力優(yōu)化以及節(jié)能改造，以提高離心泵的加權(quán)平均效率及 其擴(kuò)大離心泵高效區(qū)范圍。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的離心泵設(shè)計(jì)方法是單工況(設(shè)計(jì)工況)設(shè)計(jì)方法，無法兼顧離心泵多 個(gè)工況之間的性能，其多個(gè)工況下的性能主要是通過反復(fù)的“設(shè)計(jì)一計(jì)算(或試驗(yàn))一修改” 實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中沒有充分利用CFD技術(shù)進(jìn)行離心泵的輔助分析和優(yōu)化，經(jīng)驗(yàn)仍 占主導(dǎo)地位，CFD僅是用來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果，而不是用來驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。因此，該方法不但 設(shè)計(jì)效率低，而且高效區(qū)范圍窄，主要原因是其主要幾何參數(shù)不是最優(yōu)解。若能將離心泵傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)一計(jì)算(或試驗(yàn))一修改”過程通過一集成平臺(tái)自動(dòng)探 索最優(yōu)方案，則離心泵將會(huì)突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)離心泵多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著計(jì) 算機(jī)技術(shù)和優(yōu)化算法的快速發(fā)展，上述假設(shè)已變成現(xiàn)實(shí)。iSIGHT優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)各 種CFD軟件和自編程序的集成，并提供先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化和 數(shù)據(jù)的可視化。因此，利用iSIGHT平臺(tái)集成CFD軟件和自編程序，實(shí)現(xiàn)離心泵多工況水力 優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到離心泵“設(shè)計(jì)一計(jì)算一修改”過程的自動(dòng)化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)檢索，至今尚未見關(guān)于基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化方法的文獻(xiàn)和申報(bào)專 利，僅有一些學(xué)者做離心泵非設(shè)計(jì)工況下CFD數(shù)值模擬等研究工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化方法，通過采用外特 性實(shí)驗(yàn)、CFD技術(shù)和全局優(yōu)化算法來解離心泵多工況水力優(yōu)化問題，從而求解出一組關(guān)鍵幾 何參數(shù)的最優(yōu)解集。為達(dá)到以上目的，采用如下技術(shù)方案
采用外特性實(shí)驗(yàn)建立初始樣本庫(kù)，并采用均勻設(shè)計(jì)方法和CFD技術(shù)補(bǔ)充樣本庫(kù)，從而 構(gòu)建起響應(yīng)面近似模型；并在此基礎(chǔ)上，采用iSIGHT軟件集成Pro/E、Gambit、Fluent以及 自編的離心泵多工況性能計(jì)算程序pmcc. exe，選用自適應(yīng)模擬退火算法(或基于初始種群 漸進(jìn)漂移的自適應(yīng)遺傳算法)來求解離心泵多工況水力優(yōu)化問題。其水力設(shè)計(jì)方法步驟如下
(1)基于外特性實(shí)驗(yàn)建立離心泵多工況水力優(yōu)化的初始樣本庫(kù)； 搭建離心泵外特性試驗(yàn)臺(tái)；離心泵揚(yáng)程//由離心泵進(jìn)、出口的壓力表測(cè)量得到；采用電 測(cè)法測(cè)量離心泵的功率/7 ；離心泵流量C由離心泵出口管路系統(tǒng)上的電磁流量計(jì)讀出；離心 泵的效率η由公式η:β_Ρ .、
通過測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵進(jìn)、出口之間的壓力差，建立關(guān)鍵幾何 參H β 2、b2、z、Dxm、Φ、F、為、00、力3、久、代)與不同工況下離心泵揚(yáng)程劣之間的關(guān)系；通過測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵功率Λ，建立關(guān)鍵幾何參數(shù)與功 率Λ之間的關(guān)系；通過測(cè)量出口管路的流量《，建立關(guān)鍵幾何參數(shù)與不同工況下離心泵效 率7 i之間的關(guān)系；
基于上述外特性實(shí)驗(yàn)，建立離心泵多工況水力優(yōu)化的初始樣本庫(kù)。
(2)建立基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化模型；
求設(shè)計(jì)變量 ζ=隊(duì)，β ^b2iZiDl, β ^bvDi, Φ U 沴 0，辦3，久，AJτ，使
且滿足約束條件
H1^ =垡？顯—’巡 +Az = C
m
P^ ^ Mm = C
式中-J為各工況點(diǎn)，i為泵進(jìn)、出口總水頭之差#為葉輪扭矩；『為葉輪的角
速度-A為葉輪出口直徑-’β2為葉片出口安放角Φ2為葉輪出口寬度^為葉片數(shù)-A為葉 片進(jìn)口直徑M1為葉片進(jìn)口安放角A為葉片進(jìn)口寬度-,Di為葉輪進(jìn)口直徑；0為葉片包 角 八為蝸殼喉部面積.Jh為蝸殼基圓直徑；為蝸殼隔舌角-’h為蝸殼進(jìn)口寬度.A為泵 進(jìn)口直徑武為泵出口直徑。(3)基于單點(diǎn)水力設(shè)計(jì)和均勻設(shè)計(jì)法，采用CFD技術(shù)生成離心泵多工況水力優(yōu)化 的樣本庫(kù)，并構(gòu)建響應(yīng)面近似模型；
基于單點(diǎn)設(shè)計(jì)方法對(duì)離心泵進(jìn)行初始設(shè)計(jì)；選擇均勻設(shè)計(jì)方法作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以 減少CFD試驗(yàn)次數(shù)；選擇關(guān)鍵幾何參數(shù)込、々2、力2、^、仏、β ^b^D^ Φ H 4>0、bz、Ds、DA 作為設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)均勻設(shè)計(jì)方法確定了 50組離心泵CFD試驗(yàn)方案；
根據(jù)上述50組CFD實(shí)驗(yàn)方案，分別采用Pro/E對(duì)其進(jìn)行三維造型，并輸出關(guān)鍵幾何參 數(shù)的關(guān)系表達(dá)式input, txt作為下一步優(yōu)化的輸入文件；分別采用Gambit對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化 分；分別采用Fluent數(shù)值計(jì)算，得到其樣本點(diǎn)的性能，并保存到樣本庫(kù)中；構(gòu)建樣本點(diǎn)的幾 何參數(shù)與離心泵性能之間的近似模型。(4)采用全局優(yōu)化算法對(duì)近似模型進(jìn)行多工況多目標(biāo)全局優(yōu)化；
采用Visual C++ 2005將其編寫成離心泵多工況性能計(jì)算程序pmcc.exe，該程序根據(jù) 不同工況下離心泵CFD數(shù)值計(jì)算得到的揚(yáng)程//和扭矩#，計(jì)算出其功率廠以及效率t并將 揚(yáng)程從功率/7以及效率Π保存到output, txt中；
采用iSIGHT集成Pro/E、Gambit、Fluent以及自編的離心泵多工況性能計(jì)算程序，并 以離心泵單點(diǎn)設(shè)計(jì)得到的關(guān)鍵幾何參數(shù)值為設(shè)計(jì)變量、多個(gè)工況下的揚(yáng)程和功率為約束條 件、多個(gè)工況下效率最大為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)使用自適應(yīng)遺傳算法、或基于初始種群漸進(jìn)漂移 的自適應(yīng)遺傳算法，對(duì)近似模型進(jìn)行多目標(biāo)全局優(yōu)化；
如果不滿足收斂準(zhǔn)則，則把CFD計(jì)算得到的性能值保存到樣本庫(kù)，重新構(gòu)建近似模型， 并改變?cè)O(shè)計(jì)變量值進(jìn)行全局優(yōu)化，直至滿足收斂準(zhǔn)則為止；收斂后，將關(guān)鍵幾何參數(shù)的最優(yōu) 解及離心泵的性能值分別保存在input, txt和output, txt中。
(5)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，采用泵水力設(shè)計(jì)軟件PCAD2010對(duì)離心泵進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，從而 得到離心泵多工況水力優(yōu)化模型。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于孓能夠根據(jù)離心泵多個(gè)工況下的揚(yáng)程和功率要求，以并以 各工況點(diǎn)的效率最大為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)；f還可以根據(jù)多個(gè)工 況點(diǎn)下的揚(yáng)程要求，并以各工況點(diǎn)的功率最小、效率最大為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)離心泵進(jìn)行節(jié)能改 造；1:還可以為主動(dòng)控制小流量工況下不穩(wěn)定流動(dòng)和抑制大流量工況下汽蝕發(fā)生提供借 鑒。


圖1為離心泵多工況水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)化系統(tǒng)圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本實(shí)施例基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化方法的流程如圖1所示，包括如下步 驟
(1)基于外特性實(shí)驗(yàn)建立離心泵多工況水力優(yōu)化的初始樣本庫(kù)。搭建離心泵外特性試驗(yàn)臺(tái)；離心泵揚(yáng)程//由離心泵進(jìn)、出口的壓力表測(cè)量得到；采 用電測(cè)法測(cè)量離心泵的功率P ；離心泵流量C由離心泵出口管路系統(tǒng)上的電磁流量計(jì)讀出； 離心泵的效率η由公式n:fl_P。通過測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵進(jìn)、出口之間的壓力差，建立關(guān)鍵 幾何參數(shù)(叢、β 2、b2、z、Dx、β X、H、Φ、H 4>pb、、Ds、D)與不同工況下離心泵揚(yáng)程 Hi之間的關(guān)系；通過測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵功率Λ，建立關(guān)鍵幾何參數(shù) 與功率Λ之間的關(guān)系；通過測(cè)量出口管路的流量《，建立關(guān)鍵幾何參數(shù)與不同工況下離心 泵效率7 i之間的關(guān)系?；谏鲜鐾馓匦詫?shí)驗(yàn)，建立離心泵多工況水力優(yōu)化的初始樣本庫(kù)。(2)建立基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化模型。求設(shè)計(jì)變量ζ=[叢，A2,氏，&仏，A1，夂，化，Φ,F”D》Φ Ds,D^At
權(quán)利要求
一種基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化方法，其特征在于，根據(jù)給定多個(gè)工況點(diǎn)下的揚(yáng)程和功率值，基于外特性實(shí)驗(yàn)和CFD數(shù)值計(jì)算得到的樣本庫(kù)構(gòu)建的近似模型，采用合適的全局優(yōu)化算法對(duì)離心泵多工況水力優(yōu)化問題進(jìn)行求解，從而計(jì)算出離心泵關(guān)鍵幾何參數(shù)的最優(yōu)值，其中，工況點(diǎn)i≥3；具體步驟如下(A)基于外特性實(shí)驗(yàn)建立離心泵多工況水力優(yōu)化的初始樣本庫(kù)；搭建離心泵外特性試驗(yàn)臺(tái)；離心泵揚(yáng)程H由離心泵進(jìn)、出口的壓力表測(cè)量得到；采用電測(cè)法測(cè)量離心泵的功率P；離心泵流量Q由離心泵出口管路系統(tǒng)上的電磁流量計(jì)讀出；離心泵的效率η由公式η=ρgQH/P；通過測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵進(jìn)、出口之間的壓力差，建立關(guān)鍵幾何參數(shù)(D2、β2、b2、z、D1、β1、b1、Dj、φ、Ft、D3、φ0、b3、Ds、Dd)與不同工況下離心泵揚(yáng)程Hi之間的關(guān)系；通過測(cè)量得到的不同比轉(zhuǎn)數(shù)、不同工況下離心泵功率Pi，建立關(guān)鍵幾何參數(shù)與功率Pi之間的關(guān)系；通過測(cè)量出口管路的流量Qi，建立關(guān)鍵幾何參數(shù)與不同工況下離心泵效率ηi之間的關(guān)系；基于上述外特性實(shí)驗(yàn)，建立離心泵多工況水力優(yōu)化的初始樣本庫(kù)；(B)建立基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化模型；求設(shè)計(jì)變量x=[D2,β2,b2,z,D1,β1,b1,Dj,φ,Ft,D3,φ0,b3,Ds,Dd]T，使且滿足約束條件式中i為各工況點(diǎn)，i≥3；Δz為泵進(jìn)、出口總水頭之差；M為葉輪扭矩；w為葉輪的角速度；D2為葉輪出口直徑；β2為葉片出口安放角；b2為葉輪出口寬度；z為葉片數(shù)；D1為葉片進(jìn)口直徑；β1為葉片進(jìn)口安放角；b1為葉片進(jìn)口寬度；Dj為葉輪進(jìn)口直徑；φ為葉片包角；Ft為蝸殼喉部面積；D3為蝸殼基圓直徑；φ0為蝸殼隔舌角；b3為蝸殼進(jìn)口寬度；Ds為泵進(jìn)口直徑；Dd為泵出口直徑；(C)基于單點(diǎn)水力設(shè)計(jì)和均勻設(shè)計(jì)法，采用CFD技術(shù)生成離心泵多工況水力優(yōu)化的樣本庫(kù)，并構(gòu)建響應(yīng)面近似模型；基于單點(diǎn)設(shè)計(jì)方法對(duì)離心泵進(jìn)行初始設(shè)計(jì)；選擇均勻設(shè)計(jì)方法作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以減少CFD試驗(yàn)次數(shù)；選擇關(guān)鍵幾何參數(shù)D2、β2、b2、z、D1、β1、b1、Dj、φ、Ft、D3、φ0、b3、Ds、Dd作為設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)均勻設(shè)計(jì)方法確定了50組離心泵CFD試驗(yàn)方案；根據(jù)上述50組CFD實(shí)驗(yàn)方案，分別采用Pro/E對(duì)其進(jìn)行三維造型，并輸出關(guān)鍵幾何參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式input.txt作為下一步優(yōu)化的輸入文件；分別采用Gambit對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化分；分別采用Fluent數(shù)值計(jì)算，得到其樣本點(diǎn)的性能，并保存到樣本庫(kù)中；構(gòu)建樣本點(diǎn)的幾何參數(shù)與離心泵性能之間的近似模型；(D)采用全局優(yōu)化算法對(duì)近似模型進(jìn)行多工況多目標(biāo)全局優(yōu)化；采用Visual C++ 2005將其編寫成離心泵多工況性能計(jì)算程序pmcc.exe，該程序根據(jù)不同工況下離心泵CFD數(shù)值計(jì)算得到的揚(yáng)程H和扭矩N,計(jì)算出其功率P以及效率η，并將揚(yáng)程H、功率P以及效率η保存到output.txt中；采用iSIGHT集成Pro/E、Gambit、Fluent以及自編的離心泵多工況性能計(jì)算程序，并以離心泵單點(diǎn)設(shè)計(jì)得到的關(guān)鍵幾何參數(shù)值為設(shè)計(jì)變量、多個(gè)工況下的揚(yáng)程和功率為約束條件、多個(gè)工況下效率最大為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)使用自適應(yīng)遺傳算法、或基于初始種群漸進(jìn)漂移的自適應(yīng)遺傳算法，對(duì)近似模型進(jìn)行多目標(biāo)全局優(yōu)化；如果不滿足收斂準(zhǔn)則，則把CFD計(jì)算得到的性能值保存到樣本庫(kù)，重新回到步驟(C)構(gòu)建近似模型，并改變?cè)O(shè)計(jì)變量值進(jìn)行全局優(yōu)化，直至滿足收斂準(zhǔn)則為止；收斂后，將關(guān)鍵幾何參數(shù)的最優(yōu)解及離心泵的性能值分別保存在input.txt和output.txt中；(E)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，采用泵水力設(shè)計(jì)軟件對(duì)離心泵進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，從而得到離心泵多工況水力優(yōu)化模型。2010105205616100001dest_path_image001.jpg,413758dest_path_image002.jpg,2010105205616100001dest_path_image003.jpg
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化方法，其特征在于 所述步驟(B)，離心泵多工況水力優(yōu)化模型是在離心泵單點(diǎn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使用CFD技術(shù)對(duì) 離心泵進(jìn)行多工況全流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算得到的離心泵多工況水力優(yōu)化模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化方法，包含以下步驟第一，基于外特性實(shí)驗(yàn)建立離心泵多工況水力優(yōu)化的初始樣本庫(kù)；第二，建立基于CFD的離心泵多工況水力優(yōu)化模型；第三，基于單點(diǎn)水力設(shè)計(jì)和均勻設(shè)計(jì)法，采用CFD技術(shù)生成離心泵多工況水力優(yōu)化的樣本庫(kù)，并構(gòu)建響應(yīng)面近似模型；第四，采用全局優(yōu)化算法對(duì)近似模型進(jìn)行全局優(yōu)化；第五，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，采用PCAD對(duì)離心泵進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，從而得到離心泵的多工況水力模型。本發(fā)明不僅能根據(jù)多個(gè)工況下的性能要求對(duì)離心泵進(jìn)行多工況水力優(yōu)化，以提高其加權(quán)平均效率，并擴(kuò)大其高效區(qū)范圍，還可以為主動(dòng)控制小流量工況下不穩(wěn)定流動(dòng)和抑制大流量工況下汽蝕發(fā)生提供借鑒。
文檔編號(hào)F04D1/00GK101956711SQ20101052056
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者劉厚林, 王凱, 王勇, 袁壽其, 談明高 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)