[发明专利]一种双叶片离心叶轮自寻优设计方法

说明书

一种双叶片离心叶轮自寻优设计方法，包括以下步骤：1.定义设计输入条件，包括叶片设计参数和叶片初始轴面形状；2.建立叶片平均环量分布函数；3.假定叶片无限薄，对叶片进行网格划分；4.基于不可穿透条件，通过数值迭代计算不断修正叶片形状；5.定义叶片优化目标函数；6.基于设计目标函数和NSGA II遗传优化算法对双叶片离心叶轮进行优化设计，得到最优叶轮模型。本发明利用自寻优反向设计方法能够快速地获取所需的叶轮几何模型，同时改善了离心叶轮的运行效率和运行稳定性。

技术领域

本发明属于离心泵水力设计方法领域，具体涉及一种双叶片离心叶轮自寻优设计方法，主要用于快速有效的对双叶片离心叶轮进行水力设计及优化，在保证泵的颗粒过流能力和自吸能力的前提下，以进一步提升水力模型的效率以及运行过程的稳定性。

背景技术

双叶片离心叶轮的设计与分析是一项复杂的工程，通常采用正向设计方法，即运用流体动力学理论(Computer Fluid Dynamics,CFD)来评估给定水力模型的综合性能，以此来确认设计的准确性。正向设计方法需要依赖于设计人员丰富的工程经验和大量的模型库，因此掌握该方法设计叶轮模型具有一定的难度。基于该方法的局限性，众多学者提出了反向设计方法或逆向设计方法，该方法基于给定的性能参数和叶片载荷函数，通过反问题求解算法快速的获取所需的叶轮几何模型。张明在其专利“旋转机械叶片反问题设计的计算方法”(专利号：CN106339557)中利用有限元法求解流固耦合问题，并对计算结果进行反推预加工模型；张人会在论文《基于自由曲面变形方法的离心泵三维叶片反问题方法》中通过正——反问题的耦合迭代，根据叶片实际载荷和目标载荷间的差值驱动叶片的变形。在叶轮机械工程设计过程中，通常会遇到多目标优化问题，大都因其各个目标函数不可比较，甚至相互冲突，因而采用经典的优化方法很难对其进行求解。杨魏在其专利“一种双吸离心泵叶轮的水力优化方法以及装置”(专利号：CN105465037A)中采用叶片环量分布和多目标遗传算法对双吸离心泵叶轮进行设计与优化。

上述方法中与本专利较为接近为一种双吸离心泵叶轮的水力优化方法，该方法通过叶片环量梯度实现了叶片的快速建模与优化，但是该方法并没有考虑采用相关的控制变量对叶片轴面进行定义，同时没有考虑相关目标函数的定义，因此在大规模叶片设计与优化过程中存在一定的不足，无法有效地实现对叶片轴面的控制。针对上述存在的问题，本专利发明了一种自寻优的设计方法，通过该方法实现了对叶片轴面的参数控制以及定义了考虑不同目标权重的总体目标函数，以实现叶片的自寻优设计。因此，该方法具有重要的学术和工程应用价值。

经检索，至今尚未见关于该方法的文献和申报专利。

发明内容

为了克服已有双叶片离心叶轮设计方法的正向设计方法过分依赖设计人员的相关经验、单目标优化无法综合考虑叶片的效率、自吸性能和运行的稳定性的不足，本发明提供了一种双叶片离心叶轮自寻优设计方法，通过参数化叶片轴面形状，定义合理的目标函数，以及结合NSGA II遗传优化算法对双叶片离心叶轮进行水力优化设计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双叶片离心叶轮自寻优设计方法，包括以下步骤：

步骤1.定义设计输入条件，包括叶片设计参数和叶片初始轴面形状

首先需要定义叶片设计的基本输入条件，包括设计流量Q、设计扬程H、设计转速Ω、叶片数Z、叶片厚度δ、叶片尾缘交错角θ_TE；其次基于给定的设计变量建立叶片轴面形状；