專利背景
截至2010年10月,傳統的
離心泵設計方法是單工況(設計工況)設計方法,無法兼顧離心泵多個工況之間的性能,其多個工況下的性能主要是通過反覆的“設計—計算(或試驗)—修改”實現的。在設計開發過程中沒有充分利用CFD技術進行離心泵的輔助分析和最佳化,經驗仍占主導地位,CFD僅是用來檢驗設計的結果,而不是用來驅動產品設計。因此,該方法不但設計效率低,而且高效區範圍窄,主要原因是其主要幾何參數不是最優解。
若能將離心泵傳統的“設計—計算(或試驗)—修改”過程通過一集成平台自動探索最優方案,則離心泵將會突破傳統設計的瓶頸,實現離心泵多工況水力最佳化設計。隨著計算機技術和最佳化算法的快速發展,上述假設已變成現實。iSIGHT最佳化設計平台可以實現各種CFD軟體和自編程式的集成,並提供先進的最佳化設計方法,實現了設計過程的自動化和數據的可視化。因此,利用iSIGHT平台集成CFD軟體和自編程式,實現離心泵多工況水力最佳化設計,最終達到離心泵“設計—計算—修改”過程的自動化,具有重要的現實意義。
經檢索,截至2010年10月尚未見關於基於CFD的離心泵多工況水力最佳化方法的文獻和申報專利,僅有一些學者做離心泵非設計工況下CFD數值模擬等研究工作。
發明內容
專利目的
《一種基於CFD的離心泵多工況水力最佳化方法》的目的是提供一種基於CFD的離心泵多工況水力最佳化方法,通過採用外特性實驗、CFD技術和全局最佳化算法來解離心泵多工況水力最佳化問題,從而求解出一組關鍵幾何參數的最優解集。
技術方案
採用外特性實驗建立初始樣本庫,並採用均勻設計方法和CFD技術補充樣本庫,從而構建起回響面近似模型;並在此基礎上,採用iSIGHT軟體集成
Pro/E、Gambit、
Fluent以及自編的離心泵多工況性能計算程式pmcc.exe,選用自適應模擬退火算法(或基於初始種群漸進漂移的自適應遺傳算法)來求解離心泵多工況水力最佳化問題。
其水力設計方法步驟如下:
(1)基於外特性實驗建立離心泵多工況水力最佳化的初始樣本庫;
搭建離心泵外特性試驗台;離心泵揚程H由離心泵進、出口的壓力表測量得到;採用電測法測量離心泵的功率P;離心泵流量Q由離心泵出口管路系統上的電磁流量計讀出;離心泵的效率η由公式η=ρgQH/P;
通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵進、出口之間的壓力差,建立關鍵幾何參數(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程Hi之間的關係;通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵功率Pi,建立關鍵幾何參數與功率Pi之間的關係;通過測量出口管路的流量Qi,建立關鍵幾何參數與不同工況下離心泵效率ηi之間的關係;
基於上述外特性實驗,建立離心泵多工況水力最佳化的初始樣本庫。
(2)建立基於CFD的離心泵多工況水力最佳化模型;
求設計變數
x=[
D2,
β2,
b2,
z,
D1,
β1,
b1,
Dj,
φ,
Ft,
D3,
φ0,
b3,
Ds,
Dd],使
,且滿足約束條件
,
。
式中:i為各工況點,i≥3;Δz為泵進、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;D1為葉片進口直徑;β1為葉片進口安放角;b1為葉片進口寬度;Dj為葉輪進口直徑;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為蝸殼進口寬度;Ds為泵進口直徑;Dd為泵出口直徑。
(3)基於單點水力設計和均勻設計法,採用CFD技術生成離心泵多工況水力最佳化的樣本庫,並構建回響面近似模型;
基於單點設計方法對離心泵進行初始設計;選擇均勻設計方法作為實驗設計方法,以減少CFD試驗次數;選擇關鍵幾何參數D2、β2、b2、z、D1、β1、b1、Dj、φ、Ft、D3、φ0、b3、Ds、Dd作為設計參數,根據均勻設計方法確定了50組離心泵CFD試驗方案;
根據上述50組CFD實驗方案,分別採用Pro/E對其進行三維造型,並輸出關鍵幾何參數的關係表達式input.txt作為下一步最佳化的輸入檔案;分別採用Gambit對其進行格線化分;分別採用Fluent數值計算,得到其樣本點的性能,並保存到樣本庫中;構建樣本點的幾何參數與離心泵性能之間的近似模型。
(4)採用全局最佳化算法對近似模型進行多工況多目標全局最佳化;
採用VisualC++2005將其編寫成離心泵多工況性能計算程式pmcc.exe,該程式根據不同工況下離心泵CFD數值計算得到的揚程H和扭矩N,計算出其功率P以及效率η,並將揚程H、功率P以及效率η保存到output.txt中;
採用iSIGHT集成Pro/E、Gambit、Fluent以及自編的離心泵多工況性能計算程式,並以離心泵單點設計得到的關鍵幾何參數值為設計變數、多個工況下的揚程和功率為約束條件、多個工況下效率最大為目標函式,同時使用自適應遺傳算法、或基於初始種群漸進漂移的自適應遺傳算法,對近似模型進行多目標全局最佳化;
如果不滿足收斂準則,則把CFD計算得到的性能值保存到樣本庫,重新構建近似模型,並改變設計變數值進行全局最佳化,直至滿足收斂準則為止;收斂後,將關鍵幾何參數的最優解及離心泵的性能值分別保存在input.txt和output.txt中。
(5)根據最佳化結果,採用泵水力設計軟體PCAD2010對離心泵進行水力設計,從而得到離心泵多工況水力最佳化模型。
改善效果
1、能夠根據離心泵多個工況下的揚程和功率要求,以並以各工況點的效率最大為目標函式,對其進行多工況水力最佳化設計;
2、還可以根據多個工況點下的揚程要求,並以各工況點的功率最小、效率最大為目標函式,對離心泵進行節能改造;
3、還可以為主動控制小流量工況下不穩定流動和抑制大流量工況下汽蝕發生提供借鑑。
附圖說明
圖1為離心泵多工況水力最佳化設計方法的流程圖。
圖2為《一種基於CFD的離心泵多工況水力最佳化方法》實施例的最佳化系統圖。
權利要求
1.《一種基於CFD的離心泵多工況水力最佳化方法》其特徵在於,根據給定多個工況點下的揚程和功率值,基於外特性實驗和CFD數值計算得到的樣本庫構建的近似模型,採用合適的全局最佳化算法對離心泵多工況水力最佳化問題進行求解,從而計算出離心泵關鍵幾何參數的最優值,其中,工況點i≥3;具體步驟如下:
(A)基於外特性實驗建立離心泵多工況水力最佳化的初始樣本庫;搭建離心泵外特性試驗台;離心泵揚程H由離心泵進、出口的壓力表測量得到;採用電測法測量離心泵的功率P;離心泵流量Q由離心泵出口管路系統上的電磁流量計讀出;離心泵的效率η由公式η=ρgQH/P;通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵進、出口之間的壓力差,建立關鍵幾何參數(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程Hi之間的關係;通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵功率Pi,建立關鍵幾何參數與功率Pi之間的關係;通過測量出口管路的流量Qi,建立關鍵幾何參數與不同工況下離心泵效率ηi之間的關係;基於上述外特性實驗,建立離心泵多工況水力最佳化的初始樣本庫;
(B)建立基於CFD的離心泵多工況水力最佳化模型;求設計變數
x=[
D2,
β2,
b2,
z,
D1,
β1,
b1,
Dj,
φ,
Ft,
D3,
φ0,
b3,
Ds,
Dd],使
,且滿足約束條件
,
。
式中:i為各工況點,i≥3;Δz為泵進、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;D1為葉片進口直徑;β1為葉片進口安放角;b1為葉片進口寬度;Dj為葉輪進口直徑;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為蝸殼進口寬度;Ds為泵進口直徑;Dd為泵出口直徑;
(C)基於單點水力設計和均勻設計法,採用CFD技術生成離心泵多工況水力最佳化的樣本庫,並構建回響面近似模型;基於單點設計方法對離心泵進行初始設計;選擇均勻設計方法作為實驗設計方法,以減少CFD試驗次數;選擇關鍵幾何參數D2、β2、b2、z、D1、β1、b1、Dj、φ、Ft、D3、φ0、b3、Ds、Dd作為設計參數,根據均勻設計方法確定了50組離心泵CFD試驗方案;根據上述50組CFD實驗方案,分別採用Pro/E對其進行三維造型,並輸出關鍵幾何參數的關係表達式input.txt作為下一步最佳化的輸入檔案;分別採用Gambit對其進行格線化分;分別採用Fluent數值計算,得到其樣本點的性能,並保存到樣本庫中;構建樣本點的幾何參數與離心泵性能之間的近似模型;
(D)採用全局最佳化算法對近似模型進行多工況多目標全局最佳化;採用VisualC++2005將其編寫成離心泵多工況性能計算程式pmcc.exe,該程式根據不同工況下離心泵CFD數值計算得到的揚程H和扭矩N,計算出其功率P以及效率η,並將揚程H、功率P以及效率η保存到output.txt中;採用iSIGHT集成Pro/E、Gambit、Fluent以及自編的離心泵多工況性能計算程式,並以離心泵單點設計得到的關鍵幾何參數值為設計變數、多個工況下的揚程和功率為約束條件、多個工況下效率最大為目標函式,同時使用自適應遺傳算法、或基於初始種群漸進漂移的自適應遺傳算法,對近似模型進行多目標全局最佳化;如果不滿足收斂準則,則把CFD計算得到的性能值保存到樣本庫,重新回到步驟(C)構建近似模型,並改變設計變數值進行全局最佳化,直至滿足收斂準則為止;收斂後,將關鍵幾何參數的最優解及離心泵的性能值分別保存在input.txt和output.txt中;
(E)根據最佳化結果,採用泵水力設計軟體對離心泵進行水力設計,從而得到離心泵多工況水力最佳化模型。
2.根據權利要求1所述的一種基於CFD的離心泵多工況水力最佳化方法,其特徵在於:所述步驟(B),離心泵多工況水力最佳化模型是在離心泵單點設計的基礎上,使用CFD技術對離心泵進行多工況全流場數值計算得到的離心泵多工況水力最佳化模型。
實施方式
該實施例基於CFD的離心泵多工況水力最佳化方法的流程如圖1所示,包括如下步驟:
(1)基於外特性實驗建立離心泵多工況水力最佳化的初始樣本庫。
搭建離心泵外特性試驗台;離心泵揚程H由離心泵進、出口的壓力表測量得到;採用電測法測量離心泵的功率P;離心泵流量Q由離心泵出口管路系統上的電磁流量計讀出;離心泵的效率η由公式η=ρgQH/P。
通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵進、出口之間的壓力差,建立關鍵幾何參數(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程Hi之間的關係;通過測量得到的不同比轉數、不同工況下離心泵功率Pi,建立關鍵幾何參數與功率Pi之間的關係;通過測量出口管路的流量Qi,建立關鍵幾何參數與不同工況下離心泵效率ηi之間的關係。
基於上述外特性實驗,建立離心泵多工況水力最佳化的初始樣本庫。
(2)建立基於CFD的離心泵多工況水力最佳化模型。
求設計變數
x=[
D2,
β2,
b2,
z,
D1,
β1,
b1,
Dj,
φ,
Ft,
D3,
φ0,
b3,
Ds,
Dd],使
,且滿足約束條件
,
。
式中:i為各工況點,i≥3;Δz為泵進、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;D1為葉片進口直徑;β1為葉片進口安放角;b1為葉片進口寬度;Dj為葉輪進口直徑;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為蝸殼進口寬度;Ds為泵進口直徑;Dd為泵出口直徑。
(3)基於單點水力設計和均勻設計法,採用CFD技術生成離心泵多工況水力最佳化的樣本庫,並構建回響面近似模型。
基於單點設計方法對離心泵進行初始設計;選擇均勻設計方法作為實驗設計方法,以減少CFD試驗次數;選擇關鍵幾何參數D2、β2、b2、z、D1、β1、b1、Dj、φ、Ft、D3、φ0、b3、Ds、Dd作為設計參數,根據均勻設計方法確定了50組離心泵CFD試驗方案。
根據上述50組CFD實驗方案,分別採用Pro/E對其進行三維造型,並輸出關鍵幾何參數的關係表達式input.txt作為下一步最佳化的輸入檔案;分別採用Gambit對其進行格線化分;分別採用Fluent數值計算,得到其樣本點的性能,並保存到樣本庫中;構建樣本點的幾何參數與離心泵性能之間的近似模型。
(4)採用VisualC++2005將其編寫成離心泵多工況性能計算程式pmcc.exe。
該程式能夠根據不同工況下離心泵CFD數值計算得到的揚程H和扭矩N,計算出其功率P以及效率η,並將揚程H、功率P以及效率η保存到output.txt中。
(5)採用全局最佳化算法對近似模型進行多工況多目標全局最佳化,如圖2所示。
採用iSIGHT集成Pro/E、Gambit、Fluent以及自編的離心泵多工況性能計算程式,並以離心泵單點設計得到的關鍵幾何參數值為設計變數、多個工況下的揚程和功率為約束條件、多個工況下效率最大為目標函式,同時使用自適應遺傳算法、或基於初始種群漸進漂移的自適應遺傳算法,對近似模型進行多目標全局最佳化;
①將設計變數寫入Pro/E的參數化模型表達式的模板檔案input.txt中,通過Pro/E的批處理檔案調用trail.txt完成幾何模型的生成,並輸出pump.stp檔案;
Pro/E的批處理檔案:
deltrail.txt.*
"C:\proeWildfire2\bin\proe.exe"pro_wait-g:no_graphicsinput.txt
②根據Pro/E輸出的pump.stp檔案,通過Gambit的批處理檔案讀入命令流檔案mesh.jou自動進行格線劃分,同時輸出為格線檔案pump.msh;
Gambit的批處理檔案:
C:\Gambit\ntbin\ntx86\gambit.exe-inpmesh.jou
③通過Fluent批處理檔案完成讀入各個工況下的命令流檔案solve.jou自動設定計算模型和邊界條件等的載入,並將各工況下的進、出口總壓及葉輪扭矩輸出至pump-i.txt檔案中;
Fluent批處理檔案:
"C:\Fluent\ntbin\ntx86\fluent.exe"3d-isolve.jou
④根據不同工況下離心泵CFD數值計算得到的揚程H和扭矩N,採用自編的離心泵多工況性能計算程式pmcc.exe,計算離心泵的功率P以及效率η,並將揚程H、功率P以及效率η保存到output.txt中;
⑤根據自適應模擬退火算法、或基於初始種群漸進漂移的自適應遺傳算法,並以單點設計的參數值作為初始值、多個工況下的揚程和功率要求作為約束條件、多個工況下的效率值最大作為目標函式對其進行多目標全局最佳化,從而疊代出關鍵幾何參數的最優解;
⑥收斂後,將關鍵幾何參數的最優解及離心泵的性能值分別保存在input.txt和output.txt中。
(6)根據最佳化結果,採用具有自主智慧財產權的泵水力設計軟體PCAD2010對離心泵進行水力設計,從而得到離心泵多工況水力最佳化模型。
榮譽表彰
2014年11月6日,《一種基於CFD的離心泵多工況水力最佳化方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。