[发明专利]离心泵作透平水力性能和外场流激噪声多目标优化方法

说明书

技术领域

本发明属于离心泵作透平设计技术领域，具体涉及一种离心泵作透平水力和外场流激噪声多目标优化方法，主要用于指导离心泵作透平的高效低噪声水力设计。

背景技术

影响离心泵作透平水力性能与外场流激噪声的设计变量众多，作用机制各不相同，要准确把握它们之间的相互关系势必要进行大量的试验。多目标优化的基本思路就是在满足给定约束条件的前提下，从设计变量的取值范围内搜索最佳设计点，使得多个设计目标决定的设计对象整体性能最优。传统多目标优化算法通过采用加权求和法、ε-约束法、最小-最大法等将多目标优化问题转换为单目标优化问题来处理。但由于单目标求解过程相互独立，且多次求解获取最优解时无法利用它们之间的协同作用，计算量往往很大。多目标优化的关键在于，大多数子目标是相互冲突的；而某个子目标的改善往往意味着其它一个或者多个子目标的性能降低；多个子目标同时达到最优往往不可能。解决多目标优化的最终手段是在各个子目标之间进行协调权衡和折中处理，使各子目标尽可能最优。

以往关于离心泵作透平水力性能的研究主要针对叶轮和蜗壳几何参数对水力性能的影响展开，并未考虑噪声性能的优化。由于离心泵作透平几何参数众多，作用机制各不相同，各个参数之间存在交互影响，因此有必要研究各个参数之间的相互关系以确定最优参数组合。借助优化算法来优化叶轮机械水头、效率和汽蚀等目标的方法已基本成熟，但对于兼顾水力性能和外场流激噪声的离心泵作透平优化，还需要进一步深入研究。

发明内容

本发明旨在提供一种离心泵作透平水力性能和外场流激噪声多目标优化方法，通过采用外特性实验、CFD数值计算和响应面算法来解离心泵作透平水力性能和外场流激噪声的多目标问题，从而求出一组关键几何参数的最优解，使得该参数下透平的噪声尽量小而其效率尽可能高。

为达到以上目的，采用如下技术方案：

通过对不同离心泵作透平叶轮几何参数进行外特性和外场流激噪声CFD数值计算，获得对离心泵作透平水力性能和外场流激噪声影响较大的参数，并通过响应面分析法来求解离心泵作透平水力性能和外场流激噪声多目标优化问题。

其具体步骤如下：

(1)离心泵作透平多目标优化设计变量取值范围确定方法。

离心泵作透平叶轮参数众多，如果将所有参数均考虑进去必然会极大的增加工作量。因此，主要考虑叶片进口安放角β₁、叶片出口安放角β₂、叶片出口宽度b₂、叶片包角叶轮进口直径D_j以及叶片数z等6个叶轮主要因素对于离心泵作透平水力性能和外场流激噪声的影响。各个参数的变化范围将会对多目标优化的结果产生显著影响，因此需要对参数的变化范围进行指定，叶片进口安放角β₁、叶片出口安放角β₂、叶片出口宽度b₂变化范围为原模型的1.5倍；叶片包角叶轮进口直径D_j变化范围为原模型的1.3倍；叶片数z变化范围为原模型的2倍，且每个参数在其相应的变化范围内按照平均间隔取7个值，如数值不整则对其进行圆整。

(2)离心泵作透平外特性计算。

根据步骤(1)确定参数的取值来确定数值计算方案，即在保持其他参数不变的情况下改变其中某一参数的取值。

采用CFD对离心泵作透平进行全流场数值计算，外特性的计算方法如下：