基于NSGA-Ⅱ遗传算法的低比转速离心泵多目标寻优

为了提高低比转速离心泵的水力效率和扬程,选取比转速为30的某一低比转速离心泵为研究对象,以离心泵的扬程和水力效率最大值作为优化目标,采用离心泵基本方程与Plackeet-Burman试验相结合的方法进行参数筛选,最终选取离心泵叶轮的叶片出口安放角、叶片包角和叶片出口宽度作为优化变量.在优化过程中,采用最优拉丁超立方设计方法安排了30组试验,利用RBF神经网络模型拟合出优化目标与变量之间的近似模型,并运用基于NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优.优化结果表明:优化后的叶轮扬程基本没有变化,水力效率提高了5.82%,消除了流量-扬程曲线的驼峰现象,使离心泵的运行更加稳定;优化后叶轮流道内的压力梯度减小,漩涡的发生区域及大小也有不同程度的改善;叶轮流道内湍流区域分布均匀,叶片做功能力增强,水力效率得到提高.     

改进离散型遗传算法在离心泵性能优化中的应用

针对离心泵性能优化中设计参数多且优化周期长的问题,提出了适用于离散变量优化的改进遗传算法．以泵效率为优化目标,选取叶轮6个设计参数,采用拉丁超立方设计方法创建90组设计样本,用响应面模型对泵效率和设计参数进行拟合．通过改进的离散型遗传算法对其进行寻优,得到叶轮最优设计参数组合．结果表明：响应面模型能够准确反映效率和叶轮设计参数之间的关系,设计工况下预测值与数值模拟的偏差为0.82%;优化后泵效率在0.6Q_d,1.0Q_d和1.4Q_d下的增幅分别为7.05%,5.98%和1.90%,且输入功率显著降低;优化后叶轮和蜗壳内部的流动损失面积明显减小,整体流动损失显著降低．参数敏感性分析表明：叶片出口安放角、叶轮出口直径、叶轮出口宽度和叶片包角对泵性能的影响较大．     

离心泵叶轮的优化设计

论述了以泵的能量损失最小为目标函数 ,以叶轮叶片出口宽度、出口角、直径为设计变量的泵叶轮的优化设计模型及优化计算方法 通过优化 ,获得了满足一定扬程和流量的最优参数组合     

采用遗传算法的离心叶轮多目标自动优化设计

针对离心叶轮多目标自动优化设计,首先提出了一种离心叶轮参数化方法,通过对离心叶轮型线数据进行转换,分别建立了圆柱坐标系下叶轮控制参数与归一化长度参数之间的关系,采用非均匀有理B样条进行叶型重构,获得叶片和叶轮子午流道构型.将离心叶轮参数化方法、多目标遗传算法及商业化数值计算软件NUMECA相结合,建立起离心叶轮自动优化设计平台.以总压比和效率为设计目标,在设计工况下,采用该方法对Krain高速离心叶轮进行气动优化设计,获得一系列优化叶轮,并采用数值模拟方法对叶轮内部流动特性及其气动性能进行了比较分析.结果表明,优化叶轮的总体气动性能有不同程度的改善,在叶轮出口截面上流场分布更加均匀,总压比和等熵效率约提高了2.5%和1.0%,同时也验证了所发展的多目标离心叶轮自动优化设计方法的有效性.     

缝隙引流叶轮的优化设计

以带缝隙引流叶片的低比转速离心泵叶轮为研究对象, 研究了缝隙引流叶片的位置对低比转速离心泵水力性能的影响. 基于叶片参数化设计、网格划分、CFD(computational fluid dynamics)计算和后处理过程全自动集成的优化平台, 以离心泵叶轮水力效率最大化为目标函数, 采用实验设计法(design of experiments, DOE)和序列二次规划法(sequential quadratic programming, SQP)组合策略进行优化设计. 将优化后得到的新叶轮和原始叶轮进行对比分析发现, 优化后泵流道内堵塞情况减少, 扬程提高, 0.6Q 工况以后优化叶轮的效率比原始叶轮高, 同时最高点效率提高了2% 以上. 研究结果表明, 该设计方法切实可行.     

基于高维混合模型与遗传算法的离心泵叶片优化

提出了一种基于机器学习的高维混合模型用于离心泵的叶片优化方法.选用一台低比转速离心泵,以离心泵叶轮叶片为研究对象,通过对叶片型线拟合分离多变量参数,利用支持向量机的高维表示方法,结合计算流体动力学软件,经过对训练集的机器学习,构建了离心泵叶片型线优化的代理模型.依据遗传算法求解离心泵多变量代理模型,预测了离心泵效率最高点及在该点时的叶片型线几何参数.运用数值模拟和试验研究的方法验证了预测数据,结果表明:数值模拟性能曲线与试验结果大体相符;在设计工况点,经代理模型优化后的数值模拟效率值较原型泵提高了2.61%,扬程提升了0.82 m,试验效率值较原型泵提高了2.1%,扬程提升了0.75 m.     

基于遗传算法的中低比转速离心泵优化设计

为了提高离心泵效率,建立了以损失极值为目标的优化模型.运用Matlab遗传算法优化工具箱对模型各参数进行全局寻优得到最佳的参数组合.通过泵各性能参数以及叶轮水力参数之间的相互制约设定约束条件.针对IS200/400-75/4泵进行优化,并且用Fluent软件进行整台泵流场的模拟对其性能预估.对优化前后的叶轮在设计工况下的流场进行了分析对比,得到离心泵扬程比优化前提高了3.85m,效率提高了2.9%.     

燃料电池离心压缩机叶轮构型的参数优化及性能分析

为提升离心压缩机气动性能以满足燃料电池系统的需求，以某燃料电池离心压缩机叶轮为研究对象，选取叶轮进口倾角、叶片数、子午流道等型线控制点和叶片安装角分布控制点等关键构型参数作为优化变量，采用数值计算方法对离心压缩机叶轮气动性能进行模拟和优化。结合拉丁超立方抽样与BP神经网络拟合叶轮构型参数与气动性能的映射关系，以叶轮等熵效率最大为优化目标、总压比和功率等参数为约束，运用遗传算法对上述叶轮关键构型参数进行多参数寻优，并对优化前后叶轮的气动性能及其内部流动特性进行了对比分析。结果表明：在设计工况下，优化后叶轮等熵效率提高了3.90%,总压比为1.742,功率为8.53 kW,满足设计要求；叶轮的稳定运行工况范围变宽，并且在整个工况范围内叶轮的等熵效率也均得到提升；从流场分析可以发现，优化后叶轮轮盖侧高熵值区域缩小，叶片压力面及出口截面速度分布更均匀，低速气体团面积在不同流动方向上减小，叶道内流动分离得到抑制，验证了所提离心叶轮多参数优化设计方法的有效性。     

三元叶轮子午流道和叶片的优化方法

利用反问题计算间接对叶片进行参数化并结合神经网络技术，建立了一种基于三维黏性流动分析的叶轮优化设计方法．该方法将设计变量分为叶片的设计变量和子午流道的设计变量，并分别作为子系统和中心系统。首先，在子系统内保持子午流道形状不变，利用遗传算法对叶片进行优化．然后，在中心系统内利用试验设计理论安排训练样本，采用神经网络建立叶轮性能与子午流道设计参数之间的响应关系，同时计及叶片形状对叶轮性能的影响，对子午流道及叶片进行优化。该方法设计变量个数较少，通过将设计变量进行分类并分步优化，有效地减少了计算量，对三元叶轮的优化问题具有良好的应用前景。通过对一台混流泵叶轮进行优化，扬程和效率分别提高了7．43％和3．37％，从而验证了该方法的实用性。     

基于代理模型的轴流式喷水推进泵优化设计

基于代理模型的敏感度分析以及预测方法,对喷水推进轴流泵叶片结构参数进行了优化设计研究,选取叶轮叶片和导叶叶片的安放角作为优化参数,选择效率、扬程作为优化设计的目标函数;针对优化结果,采用数值模拟的方法进行了外特性以及空化性能对比分析.结果表明：导叶叶片安放角对喷水推进轴流泵性能影响较小,叶轮叶片安放角是影响喷水推进轴流泵性能的主要因素;优化后喷水推进轴流泵的外特性以及空化性能均得到提升,效率提高了3.5%.同时,结果表明代理模型优化设计方法可以较好的适用于喷水推进轴流泵的优化设计.     

中低比转速离心泵叶轮几何参数优化

中低比转速离心泵效率普遍不高,主要因素是泵的圆盘摩擦损失过大,而圆盘摩擦损失又和叶轮直径的五次方成正比,针对这一特点,提出了以减少泵的圆盘摩擦损失为目的方法,即以叶轮直径最小为目标函数,综合考虑叶轮进口直径、叶轮叶片进出口安放角,叶轮叶片数等设计变量,建立相应的数学模型,通过优化计算,获得满足一定扬程和流量的上述参数的最优组合,从而提高中低比转数离心泵的效率,缩短泵的设计周期.     

基于Fluent/ISIGHT贯流式潜水泵流场与结构优化研究

针对目前潜水泵体积笨重的问题,利用Fluent软件,对贯流式潜水泵进行全流场仿真模拟. 基于CFturbo软件经验叶轮结构,对潜水泵流场特性进行定常仿真分析. 基于ISIGHT优化平台通过CFturbo和PumpLinx实现叶轮结构的参数化建模和仿真过程,针对扬程、效率和轻量化3个优化目标,借助多岛遗传算法进行叶轮结构优化. 优化后结果表明,在额定流量工况下,扬程提升5.1%,水力效率提升2.1%,叶轮直径减小1.9%,不同流量工况下的潜水泵性能总体优于优化前的性能. 根据现场测量的实验数据,在额定流量工况下,扬程误差为0.31%,证明优化结果可靠,效果良好.     

叶轮出口宽度对森林消防泵性能的影响及其优化

水泵叶轮的出口宽度对森林消防泵的性能有着极大的影响,根据水泵的外部特性要求,通过数值计算获得叶轮出口宽度。在保证叶轮的进出口安装角、进出口直径等其他参数不变的情况下,对叶轮的出口宽度设置参数变化,应用PRO/E软件进行叶轮的改型设计,使叶轮的出口宽度分别为8、10、12 mm,依次对各出口宽度进行计算流体动力学(CFD)数值模拟,以获得大流量、高扬程离心泵叶轮的最优出口宽度。实验表明:当叶轮出口宽度为8、12 mm时,叶轮内部流速与压力都没有达到最佳状态; 而当出口宽度为10 mm时,叶轮内部流场的速度最高可达40 m/s,最大压力可达2.0×10⁵ Pa左右,且压力和速度分布均匀,此时最优运行工况效率为91.72%。通过离心泵野外试验验证,叶轮出口宽度为10 mm时的扬程与流量都达到了设定目标。     

快堆二回路钠泵叶轮与导叶叶片数设计探讨

快堆二回路钠泵是目前世界上最先进的第四代核电核心装备之一,在保证安全运行的条件下提升其运行效率至关重要.基于其原型样机的性能要求和限制尺寸,采用一元设计与CFD相结合的方式进行钠泵叶轮和导叶的水力设计并且探究钠泵叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配规律.结果表明:只改变导叶叶片数时,不同的导叶叶片数对钠泵效率和扬程影响的最大差值分别为4.01 %和9.75%的设计参数.设计工况下钠泵叶轮与导叶叶片数的最佳匹配值为:叶轮叶片数为5、导叶叶片数为8,叶轮叶片数为6、导叶叶片数为9,叶轮叶片数为7、导叶叶片数为11,即导叶叶片数在叶轮叶片数的1.5倍附近时,泵的水力性能达到最优值.符合钠泵性能要求且水力性能最优的叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配方案为:叶轮叶片数为6、导叶叶片数为11.     

基于组合优化策略的离心泵叶轮优化设计

为了缩短水力机械的水力设计周期和提高设计效率,提出了一种水力机械全三维的优化设计体系,实现了叶片参数化设计、网格划分、CFD计算和后处理的过程全自动集成。采用了遗传算法(GA)全局探索、响应面(RSM)近似建模和二次序列规划方法(SQP)局部寻优的二阶组合优化策略,达到了高效优化设计水力机械叶轮的目的。利用该优化设计平台,以离心泵叶轮水力效率最大化为目标函数,以影响叶片形状的多个几何参数为设计变量,对离心泵叶轮进行了优化设计。优化设计后叶轮水力效率由原来的89.8%提高到92.4%。     

2种形式的液力透平叶轮外特性

为了提高液力透平的效率,设计前弯和后弯2种形式的叶轮,通过理论分析、数值计算以及实验研究的方法对其进行分析。应用流场分析软件ANSYS CFX分别对具有2种形式叶轮的液力透平进行全流场数值计算与分析,得到2种液力透平外特性曲线的差别,并分析2种液力透平叶轮内部流场流动规律。研究结果表明:前弯形叶轮在最高效率点的流量、扬程、轴功率和效率分别比后弯形叶轮高24.45%,29.80%,68.95%和4.38%;前弯形叶轮高效点以及高效点之后的流量效率(η-Q)曲线高于后弯形叶轮的流量效率曲线,流量扬程(H-Q)曲线低于后弯形叶轮的流量扬程曲线,2种形式的叶轮轴功率相差不大;前弯形叶片叶轮内部速度梯度小于后弯形叶片叶轮的内部速度梯度,前弯形叶片叶轮内部水力损失较少;实验结果与数值预测结果相吻合,验证了数值计算可以用来对液力透平进行优化设计。     

包角对中转速比离心泵流场及压力脉动的影响

为了研究叶片包角对中转速比离心泵性能的影响,以转速比为129的中转速比离心泵为研究对象,在确保叶轮其他设计参数恒定的同时,设计了90°、100°、110°、120°、130°5种包角的叶轮。运用Fluent仿真软件非定常数值模拟计算得到不同包角情况下泵外部特性曲线及叶轮内部压力和速度分布云图,通过测量水泵蜗壳及叶轮内7个监测点压力的数据得到离心泵压力脉动特性。研究结果表明:水泵扬程及效率随叶片包角的增大均有所降低且效率最高点向小流量方向偏移,包角增至130°时相比90°包角,扬程降低13%,效率降低5.2%;随着包角的增大,叶片进口低压区增多,出口高压区减少,叶轮内低速区减少,出口速度增大;额定流量下,蜗壳内压力脉动主频约为一倍叶频,流道内压力脉动主频约为一倍转频,各监测点压力脉动幅值随包角增大整体呈上升趋势。于是,综合考虑选取120°作为中转速比离心泵包角最优取值。探究叶片包角对中转速比离心泵内部流场及压力脉动影响规律,可为中转速比离心泵水力优化提供理论支持。     

基于正交设计法的潜水泵空间导叶水力优化

运用正交设计法,对井用潜水泵空间导叶进行优化设计,选取潜水泵空间导叶的进口宽度、导叶叶片轴向长度及导叶叶片出口边与导叶场域出口轴向距离,以扬程、效率及轴功率作为评价指标,基于正交设计法设计了9组方案.通过数值计算及极差分析结果表明:导叶叶片轴向长度对潜水泵扬程和轴功率影响显著,导叶进口宽度对潜水泵效率变化较为敏感,保证一定的导叶叶片与导叶场域出口距离能改善潜水泵性能.基于多目标优化设计,可以确定本次研究的最佳方案组合为空间导叶进口宽度25 mm、导叶叶片轴向长度101 mm及导叶叶片出口边与导叶场域出口轴向距离20 mm.通过分析前三级叶轮效率、导叶出口静压及流线分布图看出,优异的空间导叶设计使导叶内部流体状态较好,保证叶轮效率维持较高水平,同时泵内流体保持较好的流动稳定性.     

燃料电池车用离心叶轮型线参数化及多工况优化

以65kW燃料电池动力系统的高速无油润滑离心空压机为优化对象,采用Bezier曲线对其叶片型线进行参数化解析,依据超拉丁抽样方法获得遗传算法优化所需的样本空间,在此基础上建立Kigring近似模型进行多工况优化.寻优及CFD(计算流体动力学)数值计算结果显示,常用工况点和额定工况点等熵效率及压比均得到提高,且常用工况点改善更为显著.这表明传统内燃机车用离心增压器设计及优化时不能兼顾多工况性能结论不适用燃料电池汽车,叶轮性能空气动力学解析同样证实该结论具有理论基础.与基于叶轮几何参数的优化结果对比显示,基于叶片型线参数化的优化可以更加显著地改善离心空压机性能,是一种更加全面和有效的离心叶轮优化方法.     

基于混合搜寻法的车用涡轮增压器多目标优化

选取压气机等熵效率、叶轮最大应力和最大形变为优化目标,基于ANSYS Workbench建立了涡轮增压器压气机流-热-固多物理场耦合仿真模型,利用试验设计方法中的正交矩阵法和2k(k表示试验有k个因子)法混合搜寻出压气机关键设计参数,运用径向基函数及非支配排序遗传算法解决全局寻优问题,最终获取叶轮结构设计最优方案.计算结果表明:叶轮最大形变优化效果最显著,降低28.09%,最大应力减小16.34%,压气机等熵效率提高2.83%.