葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能優(yōu)化平臺技術(shù)方案

1、葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)建設(shè)方案北京?；问⒖萍加邢薰?015年11月目錄1. 需求分析32. 建設(shè)目標(biāo)與指標(biāo)42.1建設(shè)目標(biāo)42.2建設(shè)指標(biāo)43. 建設(shè)方案43.1總體框架43.2 主要業(yè)務(wù)功能模塊介紹53.2.1 葉輪機(jī)械三維設(shè)計模塊53.2.2 葉輪機(jī)械CFD分析模塊73.2.3專業(yè)的葉輪機(jī)械后處理分析模塊93.2.4 葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計模塊104.典型應(yīng)用實(shí)例介紹114.1離心泵優(yōu)化設(shè)計實(shí)例114.1.1 離心泵設(shè)計114.1.2 離心泵工作性能的數(shù)值仿真124.1.3 離心泵性能優(yōu)化144.2 壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計實(shí)例194.2.1 壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計流程194.2.2 壓縮機(jī)葉輪優(yōu)化具體流程21

2、4.2.3 結(jié)果對比245. 葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能優(yōu)化平臺建設(shè)前景251. 需求分析葉輪機(jī)械是一種以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的葉片為本體，使能量在流體工質(zhì)與軸動力之間相互轉(zhuǎn)換的動力機(jī)械，常用的葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械有泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和渦輪等。為了降低能源消耗，提高產(chǎn)品的市場競爭力，在滿足使用條件的情況下，需盡可能提高產(chǎn)品的性能，提高工作效率，減少耗電量，從而減少客戶的使用費(fèi)用，目前這已成為產(chǎn)品開發(fā)的重要目標(biāo)。近幾年，隨著計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，CAD技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計方面得到了廣泛應(yīng)用，CFD數(shù)值模擬技術(shù)能夠很好地模擬內(nèi)部流動并預(yù)測性能，大大減少了產(chǎn)品研發(fā)過程的研發(fā)成本和研發(fā)周期，現(xiàn)已深入產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用當(dāng)中。但是隨著CAD和CF

3、D技術(shù)的使用，新的問題隨之而來，初步設(shè)計的產(chǎn)品如果通過CFD仿真得到的性能曲線不能滿足使用要求，往往需要做一些修改。通過重新在CAD模型中修改幾何參數(shù)，再仿真計算獲得結(jié)果，如此往復(fù)，直到產(chǎn)品的性能能夠滿足設(shè)計要求。這種舊的技術(shù)方案在應(yīng)用過程中會存在三個主要問題：1) 重復(fù)性工作的次數(shù)跟幾何修改參數(shù)的個數(shù)成指數(shù)級增長，需要修改的幾何參數(shù)越多，重復(fù)計算的次數(shù)越多，使得優(yōu)化工作極為繁瑣；2) 舊設(shè)計方案的計算結(jié)果不能得到分析和利用，無法為下一次的模型修改提供建議，這樣使得整個優(yōu)化設(shè)計過程變得無方向性；3) 產(chǎn)品在經(jīng)過多次優(yōu)化之后，往往是在局部實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的結(jié)果，并不能實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)，使得優(yōu)化大打折扣。如果

4、能在CAD技術(shù)和CFD數(shù)值模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入軟件驅(qū)動和優(yōu)化算法，這樣可以重復(fù)驅(qū)動CAD軟件和CFD軟件自動修改模型和仿真計算，從而極大地減少工程師重復(fù)性的工作量，進(jìn)而減少重復(fù)工作過程中出錯的可能性。添加優(yōu)化算法之后，可以對方案重復(fù)計算的結(jié)果進(jìn)行分析，給出下一步模型修改的建議，指導(dǎo)優(yōu)化。再選擇合適的組合優(yōu)化策略，往往還能夠在全局范圍內(nèi)找到最優(yōu)的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。優(yōu)化軟件進(jìn)入工程研發(fā)領(lǐng)域多年，但由于存在與參數(shù)化建模軟件、葉輪機(jī)械設(shè)計軟件、數(shù)值分析軟件集成的二次開發(fā)等門檻，限制了其推廣應(yīng)用。本方案基于葉輪機(jī)械設(shè)計-仿真-優(yōu)化的一體化思路，通過集成葉輪機(jī)械的參數(shù)化設(shè)計、數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)計軟件，并

5、自定義開發(fā)各軟件之間的接口和操作流程的批處理化，在同一平臺上可自動實(shí)現(xiàn)包括參數(shù)化設(shè)計、數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)計的所有功能，實(shí)現(xiàn)真正意義上的葉輪機(jī)械的“設(shè)計-仿真-優(yōu)化”的一體化方案，幫助工程師更高效便捷地進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計。2. 建設(shè)目標(biāo)與指標(biāo)2.1建設(shè)目標(biāo)通過集成葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計階段所使用的建模和計算分析工具，建立一套能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)建模和仿真、結(jié)果分析和性能優(yōu)化的平臺，最終通過該平臺能夠較為輕松地提高葉輪機(jī)械的整體性能和效率，減少優(yōu)化設(shè)計周期。2.2建設(shè)指標(biāo)葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能優(yōu)化平臺包含三部分，各部分建設(shè)指標(biāo)如下所示：（1） 集成性能優(yōu)良的葉輪機(jī)械設(shè)計工具，設(shè)計工具需具備葉輪機(jī)械的整機(jī)設(shè)計功能，并且可將

6、整個產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)參數(shù)化，可通過批處理的方式對模型進(jìn)行修正。（2） 集成穩(wěn)定性與收斂性良好的仿真解算工具，可完善考慮仿真本身及優(yōu)化所需輸入、計算域網(wǎng)格劃分和數(shù)值求解的快速性和準(zhǔn)確性，最終精確獲取葉輪機(jī)械模型的性能數(shù)據(jù)，承接設(shè)計與優(yōu)化工作。（3） 集成完備的優(yōu)化算法或性能優(yōu)良的優(yōu)化軟件以實(shí)現(xiàn)與設(shè)計仿真軟件之間的無縫對接。通過優(yōu)化算法可以獲得下一步模型修改的輸入，使優(yōu)化過程具備方向性。優(yōu)化是該系統(tǒng)不可或缺的一個功能，它可驅(qū)動CAD軟件批處理形式地修改模型，再驅(qū)動CFD軟件進(jìn)行仿真計算獲得結(jié)果數(shù)據(jù)。通過該功能可將重復(fù)性的工作委托給計算機(jī)完成，降低重復(fù)工作出錯的概率，進(jìn)而省去設(shè)計人員大量低價值的工作，減

7、少優(yōu)化過程的繁瑣性。3. 建設(shè)方案3.1總體框架葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計仿真優(yōu)化平臺是建立在優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，搭建葉輪機(jī)械設(shè)計模塊和流體仿真模塊，在特定的目標(biāo)函數(shù)的約束下，形成產(chǎn)品設(shè)計和修正-仿真分析-基于優(yōu)化算法指導(dǎo)設(shè)計修正的過程數(shù)據(jù)鏈，這樣可使產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化具有自動化，并有方向性地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計修正，減少設(shè)計人員重復(fù)性的工作，快速找到最佳匹配度的設(shè)計參數(shù)組合。為更好地對計算結(jié)果進(jìn)行處理和分析，還可集成專業(yè)后處理模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)計-仿真-優(yōu)化-后處理分析的完備設(shè)計系統(tǒng)。圖3.1：葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)3.2 主要業(yè)務(wù)功能模塊介紹優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)包含葉輪機(jī)械三維設(shè)計、CFD仿真、專業(yè)的后處理分析和基于目標(biāo)函數(shù)

8、的參數(shù)優(yōu)化等多個部分。通過在葉輪機(jī)械設(shè)計軟件中進(jìn)行產(chǎn)品的全三維設(shè)計，獲得較理想的初步設(shè)計模型，并對此設(shè)計模型進(jìn)行數(shù)值模擬和專業(yè)的后處理分析，獲得目標(biāo)函數(shù)值；根據(jù)分析所得的目標(biāo)函數(shù)值，設(shè)置需要優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)，通過優(yōu)化算法對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行有針對性的排列組合，以最少的優(yōu)化設(shè)計次數(shù)獲得最佳的設(shè)計參數(shù)組合，最終得到符合要求的產(chǎn)品。應(yīng)用專業(yè)的后處理分析軟件Ensight還可以提供除了標(biāo)準(zhǔn)后處理以外的更多信息，更靈活地合并輸出不同動畫和配圖曲線，其虛擬現(xiàn)實(shí)的功能，為工程師更好地了解產(chǎn)品性能以及內(nèi)部細(xì)節(jié)特征提供了最佳手段。3.2.1 葉輪機(jī)械三維設(shè)計模塊根據(jù)該設(shè)計優(yōu)化平臺建設(shè)目標(biāo)要求，推薦引入專業(yè)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計

9、軟件CFturbo作為葉輪機(jī)械設(shè)計部分的應(yīng)用工具。CFturbo具備葉輪機(jī)械的整機(jī)設(shè)計能力，包括葉輪機(jī)械的葉輪、誘導(dǎo)輪、蝸殼、擴(kuò)壓器（葉片式/流道式）的設(shè)計能力，以及針對某些特殊要求的設(shè)計能力，例如污水泵設(shè)計功能（13葉片），雙蝸殼設(shè)計功能、復(fù)合葉片設(shè)計等。每個設(shè)計步驟所涉及參數(shù)均支持參數(shù)輸出和批處理，以便與CFD分析和優(yōu)化進(jìn)行更好的集成。CFturbo主要設(shè)計功能和參數(shù)體現(xiàn)如下： 全參數(shù)化智能設(shè)計，設(shè)計快速，重復(fù)性好：用戶只需提供葉輪機(jī)械設(shè)計點(diǎn)的流量、壓差、轉(zhuǎn)速和流體介質(zhì)屬性等基本條件，CFturbo即可根據(jù)內(nèi)置的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)自動設(shè)計葉輪機(jī)械的二維和三維水力模型。CFturbo智能化設(shè)計功能可引

10、導(dǎo)設(shè)計人員進(jìn)行葉輪機(jī)械的流程化的設(shè)計，同時有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計人員可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和特定的設(shè)計要求在不同的設(shè)計階段對自動設(shè)計進(jìn)行干預(yù)，快速實(shí)現(xiàn)初步的理想模型的設(shè)計。 主要幾何尺寸計算：通過CFturbo內(nèi)置的或自定義的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，可以確定泵及葉輪機(jī)械的主要幾何參數(shù)，如葉輪進(jìn)口直徑、葉輪進(jìn)口寬度、葉輪出口直徑、葉輪出口寬度、輪轂直徑、葉片入口直徑、葉片數(shù)、葉片進(jìn)出口角、葉片包角、葉片厚度、蝸殼基圓直徑、蝸殼入口寬度、螺旋線尺寸、蝸殼出口直徑等。 葉輪子午面設(shè)計：通過貝塞爾曲線、直線、直線+圓弧及樣條曲線等線型設(shè)計葉輪子午面流道。子午面設(shè)計特點(diǎn)有：1.流出延伸段的設(shè)計；2.流線型曲線的方法設(shè)計子午流道；3

11、.流道內(nèi)軸面速度云圖、等勢線分布顯示；4.過水?dāng)嗝?、靜矩、曲率等的校核。通過以上信息可指導(dǎo)用戶有效地設(shè)計性能優(yōu)良的葉輪子午面。 葉片進(jìn)出口安放角計算：葉片設(shè)計是基于多個子午流線的設(shè)計產(chǎn)生，葉片進(jìn)出口安放角設(shè)計可考慮入口沖角和出口偏移角的影響，可以顯示任意處的速度三角形數(shù)據(jù)。 2D或3D葉片的設(shè)計：通過貝塞爾曲線設(shè)計葉片不同流線位置的中心弧線長度和曲率變化等設(shè)計葉片的三維模型，也可自定義葉片不同流線位置包角。 葉片厚度設(shè)計：可設(shè)計葉片厚度線性或非線性變化，不同流線截面位置厚度可不同，葉片厚度也可不對稱，同時也可導(dǎo)入外部曲線控制葉片的厚度。 蝸殼斷面形狀設(shè)計：蝸殼斷面形式多樣，可以是矩形、圓形、梯

12、形及非對稱形狀，CFturbo提供了8種斷面形狀可供用戶選擇。 蝸殼螺旋線設(shè)計：CFturbo提供了三種不同的設(shè)計方法用來設(shè)計蝸殼螺旋線，分別是Pfleiderer法、Stepanoff法和自定義設(shè)計，對于一些特殊的蝸殼螺旋線設(shè)計如定截面面積或階梯式均可滿足。 蝸殼擴(kuò)散段及隔舌設(shè)計：蝸殼擴(kuò)散段可以是直出式或是彎出式，出口截面可以是圓弧狀、矩形或是梯形截面等。蝸殼擴(kuò)散段及隔舌均支持x、y、z方向的全三維設(shè)計。 內(nèi)置多種真實(shí)氣體模型：CFturbo內(nèi)置多種非理想氣體狀態(tài)方程，如雷德利希-鄺氏方程及其修正方程、彭-羅賓遜狀態(tài)方程等，用戶可根據(jù)介質(zhì)的不同特性選擇合適的狀態(tài)方程進(jìn)行設(shè)計。CFturbo還

13、內(nèi)置了多種理想氣體和非理想氣體介質(zhì)模型，同時也支持用戶自定義氣體介質(zhì)模型，以實(shí)現(xiàn)CFturbo模型數(shù)據(jù)庫的積累和傳承，以滿足氣動葉輪機(jī)械的設(shè)計。 內(nèi)置豐富的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)庫：集成了CFturbo數(shù)十年的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對于不同的葉輪機(jī)械設(shè)計均有對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)支持；CFturbo還集成了NACA翼型數(shù)據(jù)庫，同時支持外部數(shù)據(jù)的輸入和積累。 完備的軟件接口：CFturbo 具備與多種CAD、CAE以及優(yōu)化軟件軟件的接口，從而確保CFturbo設(shè)計的幾何造型可以輸出到各種軟件進(jìn)行模型優(yōu)化，CFD分析，結(jié)構(gòu)分析和性能校核等相關(guān)工作。3.2.2 葉輪機(jī)械CFD分析模塊基于CFturbo的設(shè)計功能和強(qiáng)大的接口功能，對于

14、葉輪機(jī)械的CFD分析具有較大的可選擇性。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的性能分析，目前較主流的CFD工具有PumpLinx、CFX和Numeca。CFturbo與上述幾款軟件均能實(shí)現(xiàn)批處理數(shù)據(jù)交互，從實(shí)現(xiàn)難易程度和接口的成熟性而言，CFturbo與PumpLinx為無縫集成接口，PumpLinx本身定位為專業(yè)的運(yùn)動機(jī)械CFD分析工具，要實(shí)現(xiàn)基于平臺的葉輪機(jī)械設(shè)計仿真分析PumpLinx是比較理想的選擇。PumpLinx在葉輪機(jī)械CFD分析領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)如下：Ø 先進(jìn)的網(wǎng)格生成技術(shù)內(nèi)置自動化的網(wǎng)格生成器，可以快速的生成CFD求解器可以高效求解的高質(zhì)量網(wǎng)格。這個網(wǎng)格生成器采用專有的幾何等角自適應(yīng)二元樹（g

15、eometry Conformal Adaptative Binary-tree）算法，既CAB算法，CAB算法在由封閉表面構(gòu)成的體域生成笛卡爾六面體網(wǎng)格。在靠近幾何邊界，CAB自動調(diào)整網(wǎng)格來適應(yīng)幾何曲面和幾何邊界線。為了適應(yīng)關(guān)鍵性的幾何特征，CAB通過不斷的分裂網(wǎng)格來自動的調(diào)整網(wǎng)格大小，利用最小的網(wǎng)格來分辨細(xì)節(jié)特征。該網(wǎng)格技術(shù)具有如下特點(diǎn)： 自動、快速的網(wǎng)格生成：選擇一組封閉表面，即可通過一鍵式的網(wǎng)格生成，即可自動完成網(wǎng)格劃分。 精確表達(dá)原始幾何：創(chuàng)建與曲面形狀相匹配的網(wǎng)格，可以保證準(zhǔn)確表達(dá)重要幾何特征。 高質(zhì)量/高效率的網(wǎng)格：基于CAB算法的笛卡爾網(wǎng)格六面體網(wǎng)格，可用較少的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到較高

16、的網(wǎng)格精度。 能夠容忍爛幾何：許多CAD曲面有小縫隙或者是沒有專門縫合在一起，許多網(wǎng)格生成算法會失敗，因此在生成之前，幾何必須清理干凈。CAB算法在一定程度上可以容忍“爛”幾何， CAB基于“爛”幾何可以生成合理的網(wǎng)格，而精度損失是可以忽略的，從而獲得有意義的模擬結(jié)果。Ø 專業(yè)的葉輪機(jī)械數(shù)值仿真模板：軟件需內(nèi)置有專業(yè)的葉輪機(jī)械分析模板（如離心泵/離心壓縮機(jī)/風(fēng)扇等）。模板將葉輪機(jī)械的CFD模擬流程和規(guī)范內(nèi)置到PumpLinx軟件中，用戶不用再做多余的設(shè)置即可順利求解。CFD模擬流程簡單化、規(guī)范化，保證了計算結(jié)果的可靠性。Ø 全空化模型（Full Cavitation Mod

17、el）：軟件內(nèi)置有功能強(qiáng)大且穩(wěn)健的汽蝕模型。該汽蝕模型具有優(yōu)良的魯棒性，對于非常惡劣的工況，在其他軟件都難于收斂的情況下，依然具有良好的收斂性。同時，模型考慮了液體的可壓縮性，并考慮了蒸汽的蒸發(fā)和凝結(jié)過程。對非凝結(jié)氣，用戶可以選擇固定氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可變氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平衡態(tài)氣體溶解和揮發(fā)模型和有限速率氣體溶解，揮發(fā)模型等。該空化模型不僅能預(yù)測空化發(fā)生的位置，對于由于空化而產(chǎn)生的氣蝕損害也能準(zhǔn)確預(yù)測。Ø 高級數(shù)值算法：軟件具備高效的求解功能，采用有限體積法思想，在通用CFD求解器基礎(chǔ)上，將最新的數(shù)值技術(shù)與軟件專有算法相結(jié)合，建立了一個比其它競爭對手更快速、更穩(wěn)健的數(shù)值模擬工具。使葉輪機(jī)械

18、的數(shù)值仿真能跟得上實(shí)際工程的進(jìn)度。Ø 強(qiáng)大的軟件后處理功能，在求解過程中可實(shí)時查看流場內(nèi)壓力、速度、溫度等云圖、剖面云圖、等值面和流線圖等，可快速創(chuàng)建任意視角的結(jié)果動畫，可在同一界面下創(chuàng)建多個監(jiān)測窗口，可支持?jǐn)?shù)據(jù)圖表、曲線和矢量圖顯示及顆粒追蹤等顯示功能；Ø 軟件界面 操作簡單，在同一界面下可實(shí)現(xiàn)包括前處理、求解及后處理在內(nèi)的所有操作，無需在不同軟件之前切換。 流程化模板化的操作步驟，使用戶可以很快上手，使軟件能夠真正應(yīng)用到實(shí)際工作中，并保證使用效果。 支持?jǐn)U展的高級模式，以支持用戶更深層次的應(yīng)用需求。3.2.3專業(yè)的葉輪機(jī)械后處理分析模塊葉輪機(jī)械內(nèi)部為非常復(fù)雜的三維紊流流

19、場，并伴有渦流、回流、空化或超音速等多種流動狀態(tài)。為更好地捕捉流場信息，實(shí)現(xiàn)對絕對流速、相對流速，絕對壓力、相對壓力、流動角、環(huán)量、渦流強(qiáng)度，面積，體積等的計算和數(shù)據(jù)輸出，實(shí)現(xiàn)三維視覺與結(jié)果曲線以及對比結(jié)果的完美融合，可借助專業(yè)的后處理分析軟件Ensight對葉輪機(jī)械流場進(jìn)行細(xì)致、豐富、逼真的后處理結(jié)果提取和演示。EnSight是一套適用于各種工程和科學(xué)(CFD，F(xiàn)EA，碰撞，流體力學(xué)，SPH及其他) 的后處理與計算結(jié)果可視化與協(xié)同軟件，它提供了一種完全的對各種類型的工程進(jìn)行分析、可視化與交流的手段，可處理百萬甚至上億的結(jié)點(diǎn)單元，具有并行處理與渲染的優(yōu)勢，并支持VR立體顯示以及實(shí)時協(xié)同等功能。

20、可同時加載多個案例EnSight可以一次加載多達(dá)16個案例。這些案例可以是任何格式，并能同時查看FEA和CFD數(shù)據(jù)，采用CAD模型顯示CAE結(jié)果，并排比較多個運(yùn)行結(jié)果。輕松編寫內(nèi)部求解器接口許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開發(fā)自己的代碼，EnSight載入這些代碼數(shù)據(jù)很容易?？墒褂肊nsight讀取器API讀取數(shù)據(jù)，或者使用記錄器API以EnSight本地格式輸出數(shù)據(jù)。高效的數(shù)據(jù)處理能力EnSight在處理大型和瞬態(tài)數(shù)據(jù)集方面性能卓著。優(yōu)化內(nèi)存使用，使RAM運(yùn)行更快更高效。出色的圖像質(zhì)量EnSight輸出性能卓越。無論是靜態(tài)圖像還是精湛的動畫，EnSight幾乎能以你想要的任何格式高質(zhì)量輸出。圖像保真和紋理

21、映射等特性使本已令人驚嘆的輸出品質(zhì)得到加強(qiáng)。圖像能以任何分辨率輸出，非常適合大型、優(yōu)質(zhì)印刷品。完全可自定義的圖形窗口可根據(jù)需要改變圖形窗戶的尺寸，形狀和內(nèi)容，圖例，繪圖，注釋和模板可完全自定義，并能添加嵌入式圖像，非常適合清晰地展示數(shù)據(jù)。多種動畫功能通過時間步動畫，還可以變換視圖，剪切面，等值面，透明度及其它方式繪制動畫，還可以將模型形狀動畫，以及在時間步之間插值用戶自定義功能EnSight有許多功能可以由用戶自定義，從簡單的屬性設(shè)置和宏、到用戶自定義工具、讀寫器和運(yùn)算函數(shù)，甚至可能打造自己的GUI (圖形用戶界面)。批處理模式腳本能以批處理模式自動運(yùn)行，可以創(chuàng)建任何視圖并保存為圖像，動畫或三

22、維文件。利用此功能可使技術(shù)部門的生產(chǎn)效率有巨大的提高。3.2.4 葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計模塊對于葉輪機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計，可引入專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計工具如iSIGHT/OPTIMUS，也可不考慮集成軟件，直接將優(yōu)化算法集成到設(shè)計平臺，實(shí)現(xiàn)葉輪機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計。該優(yōu)化功能可實(shí)現(xiàn)將數(shù)字技術(shù)、推理技術(shù)和設(shè)計探索技術(shù)有效融合，并把大量的需要人工完成的工作由軟件實(shí)現(xiàn)自動化處理，代替工程設(shè)計人員進(jìn)行重復(fù)性的、易出錯的數(shù)字處理和設(shè)計處理工作。通過集成仿真代碼并提供設(shè)計智能支持，從而對多個設(shè)計可選方案進(jìn)行評估、研究，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，顯著提高產(chǎn)品性能。關(guān)于優(yōu)化算法，目前共有4大類，每一種算法都在設(shè)計過程中具有特定的作用：

23、(1)試驗(yàn)設(shè)計：發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)，探索設(shè)計空間。 (2)優(yōu)化算法：尋找滿足約束條件和目標(biāo)函數(shù)的最佳設(shè)計方案。ISIGHT提供了多種優(yōu)化算法。 (3)回歸建模：用近似模型代替運(yùn)行時間長的計算機(jī)模型，引入了三階和四階響應(yīng)表面模型以及Kriging模型，以快速獲得解答。(4)質(zhì)量方法：尋找成功概率高并且對不確定因素不敏感的設(shè)計方案，保證穩(wěn)健性和可靠性。通過集成上述幾種優(yōu)化算法，并實(shí)現(xiàn)與設(shè)計和仿真軟件之間的直接耦合，即可順利實(shí)現(xiàn)葉輪機(jī)械的基于設(shè)計-仿真-后處理分析及優(yōu)化的一體化平臺的設(shè)計，幫助用戶快速有效地獲得理想的設(shè)計產(chǎn)品，提高經(jīng)濟(jì)性。 4.典型應(yīng)用實(shí)例介紹4.1離心泵優(yōu)化設(shè)計實(shí)例本案例采用CFturb

24、o+PumpLinx+Isight搭建的一體化設(shè)計平臺，通過采用CFturbo設(shè)計出較理想的初步設(shè)計模型，并自動輸出至PumpLinx進(jìn)行性能分析，獲得數(shù)值計算結(jié)果，自動輸出至優(yōu)化設(shè)計軟件Isight。通過在Isight中設(shè)置優(yōu)化參數(shù)和提取數(shù)值計算結(jié)果，Isight會有針對性地對計算結(jié)果進(jìn)行改型優(yōu)化，自動調(diào)用CFturbo和PumpLinx進(jìn)行“設(shè)計-仿真-優(yōu)化”的多次循環(huán)，以最少的設(shè)計次數(shù)獲得最佳的設(shè)計模型，最終獲得符合要求的產(chǎn)品。4.1.1 離心泵設(shè)計離心泵設(shè)計點(diǎn)工況如下所示： 流量：200m³/h； 揚(yáng)程：45m； 額定效率：84%； 轉(zhuǎn)速：2500RPM； 介質(zhì)：20清水。4

25、.1.1.1葉輪設(shè)計在輸入設(shè)計參數(shù)之后，根據(jù)CFturbo內(nèi)置的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)可以自動計算出葉輪幾何特性參數(shù)。本設(shè)計中，先根據(jù)所需設(shè)計的泵基本性能參數(shù)，根據(jù)CFturbo內(nèi)置的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)得到泵的詳細(xì)幾何參數(shù)和相應(yīng)的流體域模型，完成離心泵葉輪的三維初步設(shè)計，如下圖所示：圖4.1 葉輪設(shè)計模型4.1.1.2 蝸殼設(shè)計CFturbo具有蝸殼設(shè)計模塊，將已創(chuàng)建的葉輪模型導(dǎo)入之后，即可便捷地展開蝸殼的設(shè)計工作。最終生成的蝸殼模型如下：圖4.2蝸殼設(shè)計模型4.1.2 離心泵工作性能的數(shù)值仿真葉輪和蝸殼模型生成完畢后，在CFturbo中直接啟動PumpLinx可對設(shè)計模型和優(yōu)化后的模型展開CFD分析，預(yù)測離心泵的流

26、體動力特性。對單個工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，迭代500次達(dá)到穩(wěn)定，所需時間為20分鐘。通過仿真，獲得了離心泵初始模型的性能曲線，如下圖所示。從圖中可以看出，初始設(shè)計模型在設(shè)計點(diǎn)的揚(yáng)程為45.02m，效率為83.65%，揚(yáng)程達(dá)到了設(shè)計要求，但效率偏低，需要在原設(shè)計基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行優(yōu)化。 圖4.3直流泵葉輪蝸殼網(wǎng)格圖圖4.4 設(shè)計流量工況下壓力分布結(jié)果表4.1 最終設(shè)計方案多工況性能預(yù)測結(jié)果流量系數(shù)0.40.60.81.01.2揚(yáng)程（m）50.7450.7949.8345.0236.17效率（%）57.2872.6880.8783.6577.25圖4.5 計算所得泵的性能曲線圖4.6 多目標(biāo)的后處理結(jié)果分

27、析1圖4.7 多目標(biāo)的后處理結(jié)果分析24.1.3 離心泵性能優(yōu)化4.1.3.1 離心泵優(yōu)化參數(shù)為了提高離心泵效率，在葉輪設(shè)計參數(shù)中選取了10個可變參數(shù)作為優(yōu)化變量，如下表所示：表4.2 離心泵優(yōu)化變量序號參數(shù)初始值變化范圍1吸入口直徑（m）0.1340.1280.1402葉輪直徑（m）0.2450.2400.2503葉輪出口寬度（m）0.02250.02150.02354前蓋板型線X坐標(biāo)0.850490.751Y坐標(biāo)000.15后蓋板型線X坐標(biāo)0.874250.751Y坐標(biāo)000.16葉輪前緣位置0.250.10.37葉輪包角（°）118.71101308葉輪出口角（°）2

28、0.31824各變量含義示意圖如下所示。 圖4.8 變量示意圖4.1.3.2 離心泵優(yōu)化流程優(yōu)化過程需要不斷進(jìn)行“設(shè)計評估改進(jìn)”的多次循環(huán)，通過一種搭積木的方式快速繼承和耦合設(shè)計和仿真軟件，將所有設(shè)計流程組織到一個統(tǒng)一的邏輯框架中，自動運(yùn)行仿真軟件，并自動重啟設(shè)計流程，從而消除傳統(tǒng)設(shè)計流程中的重復(fù)性工作，使整個設(shè)計流程實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化和全自動化。本次優(yōu)化設(shè)計流程如下圖所示。圖4.9 優(yōu)化流程圖本優(yōu)化流程集成了優(yōu)化算法、CFturbo設(shè)計軟件、PumpLinx仿真軟件、文檔修改、計算器和一個自編后處理程序，優(yōu)化流程圖中各部分功能如下：a) Opts：優(yōu)化算法；b) Parameters_pre：參數(shù)

29、預(yù)處理，在模型修改過程中，部分參數(shù)存在聯(lián)系，可通過關(guān)系式轉(zhuǎn)化成一個變量；c) CF_profile：CFturbo批處理文件；d) CFturbo：CFturbo執(zhí)行程序，調(diào)用CF_profile生成的文件，對原模型進(jìn)行修改；e) Pump_profile：修改PumpLinx的執(zhí)行文件；f) PumpLinx：調(diào)用PumpLinx程序進(jìn)行計算；g) Result_post：對計算的結(jié)果進(jìn)行后處理；h) Result：提取計算結(jié)果；i) Eff：計算離心泵效率。4.1.3.3 離心泵優(yōu)化算法a) 遺傳算法全局搜索遺傳算法是今年來發(fā)展起來的智能型優(yōu)化方法，它模擬生物進(jìn)化過程，形成一套計算機(jī)數(shù)值計

30、算方法。遺傳算法以統(tǒng)計的概率結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化選擇，不需要求解敏度；作為基本設(shè)計變量為離散值，尤其對多峰值目標(biāo)函數(shù)以及多目標(biāo)值優(yōu)化這類組合優(yōu)化問題求全局最優(yōu)解有獨(dú)到之處。遺傳算法的基本流程如下：（1） 個體編碼：采用實(shí)數(shù)編碼，使得遺傳操作更直接，速度更快；（2） 約束的處理和適應(yīng)度函數(shù)的選擇：采用罰函數(shù)法將約束的優(yōu)化轉(zhuǎn)位無約束的優(yōu)化問題；（3） 選擇和交叉：采用適應(yīng)度比例選擇算法從當(dāng)代種群中選取兩個父代個體，當(dāng)滿足交叉概率時進(jìn)行交叉操作，產(chǎn)生的兩個新的子個體；（4） 變異操作：為了改善解的均勻分布，操作中加入了均勻性分布指標(biāo)，對于密集的個體，變異的范圍就大，而稀疏的個體，則只進(jìn)行小范圍的變異

31、；（5） 根據(jù)要解決的數(shù)學(xué)模型，確定算法終止運(yùn)行的準(zhǔn)則。b) 序列二次規(guī)劃法局部尋優(yōu)在優(yōu)化問題中，序列二次規(guī)劃算法是解決小規(guī)模非線性規(guī)劃問題最優(yōu)秀的算法之一。它在把目標(biāo)函數(shù)采用二次函數(shù)近似的基礎(chǔ)上進(jìn)行搜索。在最優(yōu)點(diǎn)附近，序列二次規(guī)劃法具有超線性收斂速度及全局收斂性，能快速有效地解決復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化問題。序列二次規(guī)劃算法的基本思想是在初始點(diǎn)處將非線性規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件展開為泰勒級數(shù)，其中目標(biāo)函數(shù)展開為泰勒級數(shù)時取至二次項(xiàng)，而約束條件函數(shù)展開為泰勒級數(shù)時取至一次項(xiàng)，略去其余的高此項(xiàng)，這樣就把一個非線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為一個二次規(guī)劃問題。NLPQL是序列二次規(guī)劃法中的一種，用來解決帶有約束的非線

32、性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，并假設(shè)目標(biāo)函數(shù)和約束條件是連續(xù)可微的，這個技術(shù)最主要的有點(diǎn)事容易和一個非常健壯的算法一起使用，該算法很穩(wěn)定。本案例是在離心泵優(yōu)化設(shè)計平臺上施加遺傳算法全局搜索和二次序列規(guī)劃方法局部尋優(yōu)的優(yōu)化策略組合，啟動優(yōu)化平臺進(jìn)行優(yōu)化求解，最終獲得優(yōu)化后的設(shè)計模型。4.1.3.4 離心泵優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化目標(biāo)：提高額定工況下離心泵效率，并保證揚(yáng)程的設(shè)計要求；約束：揚(yáng)程45m。下圖顯示了優(yōu)化軟件在計算迭代過程中離心泵效率的變化曲線。經(jīng)過323次迭代優(yōu)化計算后，尋找到目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)解，優(yōu)化過程結(jié)束，最終得到的離心泵最優(yōu)效率為85.21%。圖4.10 優(yōu)化過程曲線圖下圖為計算得到的原始泵模型和優(yōu)化泵

33、模型的性能曲線的比較，其中黑色曲線為原始泵模型，紅色曲線為優(yōu)化后泵模型的性能曲線。從圖中可以看出，優(yōu)化后泵模型的揚(yáng)程和效率都得到了一定的提升，流量系數(shù)在0.4到1.2范圍內(nèi)，揚(yáng)程增大3-5m，效率提高1.56%-6.05%。外特性曲線表明，經(jīng)優(yōu)化后離心泵的水力性能得到明顯改善。圖4.11 優(yōu)化前后離心泵性能對比圖優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)各參數(shù)值見下表，從表中可以看出，離心泵結(jié)構(gòu)變化較大，其中吸入口直徑、前后蓋板型線、包角和出口角有了明顯的改變，而葉輪直徑和出口寬度變化較小。表4.3 離心泵優(yōu)化變量參數(shù)變化范圍優(yōu)化前優(yōu)化后吸入口直徑0.1280.1400.1340.12896葉輪直徑0.2400.2500.

34、2450.24772葉輪出口寬度0.02150.02350.02250.022563前蓋板型線X0.7510.850490.96311Y00.100.042959后蓋板型線X0.7510.874250.75604Y00.100.018489葉輪前緣位置0.10.30.250.14724葉輪包角110130118.7123.7葉輪出口角182420.319.03下圖顯示了原始模型和優(yōu)化后模型子午面對比情況，從對比圖可看出，葉輪前緣位置更靠近進(jìn)口，葉輪對水做功較早。前后蓋板型線改動也較大，前后型線在中間位置靠攏，在流動中間形成了較窄的空間。 優(yōu)化前 優(yōu)化后 圖4.12 優(yōu)化前后子午面對比（左：優(yōu)化

35、前，右：優(yōu)化后）4.2 壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計實(shí)例本優(yōu)化設(shè)計實(shí)例是基于“CFturbo-TurboGrid-CFX-OptiSLang”搭建的優(yōu)化設(shè)計平臺。通過CFturbo進(jìn)行壓縮機(jī)葉輪的三維設(shè)計，通過對CFturbo設(shè)計模型應(yīng)用代碼語言控制（CFT-Batch-File），可將設(shè)計模型輸出TurboGrid進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后直接輸出至CFX進(jìn)行數(shù)值分析。應(yīng)用優(yōu)化軟件OptiSLang對上述流程進(jìn)行自動調(diào)用并優(yōu)化過程，最終獲得滿足設(shè)計要求的壓縮機(jī)模型。4.2.1 壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計流程壓縮機(jī)設(shè)計要求：質(zhì)量流量 0.11kg/s總壓比 4.0 bar轉(zhuǎn)速 90000rpm在CFturbo中輸入上述設(shè)計參數(shù)

36、完成壓縮機(jī)的三維設(shè)計，并輸出CFT-Batch-File文件。圖4.13 CFturbo模型設(shè)計及輸出圖4.14 Turbogrid網(wǎng)格劃分圖4.15 CFX數(shù)值分析在初始設(shè)計的基礎(chǔ)上，應(yīng)用OptiSLang進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。選取優(yōu)化參數(shù)并設(shè)置優(yōu)化區(qū)間，定義目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計約束。相關(guān)優(yōu)化設(shè)置如下：選取相關(guān)優(yōu)化參數(shù)如下：圖4.16 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置設(shè)計目標(biāo)：葉輪效率最大。設(shè)計約束：葉片角度：20°< < 90°功率：P < 25.5kw總壓比：4.5 < < 5.54.2.2 壓縮機(jī)葉輪優(yōu)化具體流程1）初始設(shè)計模型：通過CFturbo完成壓縮機(jī)葉輪設(shè)計，相關(guān)幾何參數(shù)為：N（葉片數(shù)） = 16，D2 = 105.00 mm，Ds = 56.0 mm，B2 = 3.2 mm，