[发明专利]一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法

权利要求书

1.一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，其特征在于，包括考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究、两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析、两相低温液体膨胀机内复杂旋涡空化流动的特征化表述、以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建、以及旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解；

考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究的具体过程为：采用Rayleigh-Plesset空化模型对两相低温液体膨胀机内部空化流动进行研究，其中，将Rayleigh-Plesset空化模型与液体膨胀机整机数值模型进行结合，以模拟两相低温液体膨胀机旋涡空化流动；

所述Rayleigh-Plesset空化模型包括将空化视为两相三组分系统的体积分数控制方程、基于各组分具有相同速度假设的混合相质量、动量及能量方程、以及用于预测气化率、空泡生成及破灭的Rayleigh-Plesset Equation；

两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析的具体过程为：

改变叶轮及诱导轮的几何状态参数以及叶轮与诱导轮的相位位置参数，开展考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究，确定两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动最为敏感的几何参数，其中，两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动最为敏感的几何参数包括叶轮最大周向弯曲角度θ_0M、叶片叶顶角度叶片中间高度位置的角度诱导轮形状叶片参数、叶轮与出口诱导轮之间的周向相对位置Δα及周向相对距离Δz；

以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建包括以下步骤：为保证两相低温液体膨胀机的效率和抗空化特性，构建的以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数为：

其中，f_ave为新设计的两相低温液体膨胀机的面积平均气体体积百分数，f_max为新设计的两相低温液体膨胀机的最大气体体积百分数，eff为新设计的两相低温液体膨胀机的等熵效率；及分别为原始设计的两相低温液体膨胀机的最大气体体积百分数及平均气体体积百分数，C₁、C₂及C₃为流场优化目标函数中三项的比重，C₁、C₂及C₃的取值基于初始的流场模拟结果；

旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解的具体过程为：

1)利用设计实验DOE方法生产一组候选两相低温液体膨胀机设计样本点，再分别对各候选两相低温液体膨胀机设计样本点进行数值建模及CFD模拟，然后基于数值建模及CFD模拟的结果建立初始kriging代理模型，再将协同进化并行求优算法、CCEA及单步预期提升函数相结合建立勘探-开发相结合寻优循环，在该勘探-开发相结合寻优循环中，新设计的两相低温液体膨胀机样本点连续不断地由自适应采样技术遴选出来，并启动Automatic CFDEvaluation进行流场计算及性能评估，以升级代理模型及寻找最优设计参数；

其中，启动Automatic CFD Evaluation进行流场计算及性能评估的具体操作为：设计参数矢量由Geometric parameterization模块转化并生成新的叶轮及诱导轮，再通过Automatic topology feature自动对新的叶轮及诱导轮进行网格划分，然后通过范本文件进行CFD模型、边界条件及物性的更新，最后进行两相低温液体膨胀机热流场的计算及性能的预测；

2)待两相低温液体膨胀机热流场的计算收敛后，得两相低温液体膨胀机的压力、温度、旋转轴扭矩及气体体积百分数的参数分布，然后将压力、温度、旋转轴扭矩及气体体积百分数的参数分布代入目标函数表达式中，以计算目标函数；

3)根据上述步骤进行迭代循环，直至满足预定的寻优搜索终止判据为止，得两相低温液体膨胀机的抗空化优化设计参数。