[发明专利]一种低温液体膨胀机全工况优化设计方法

权利要求书

1.一种低温液体膨胀机全工况优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：依次进行液体膨胀机整机多工况性能数值的预测、叶轮几何参数化表达及敏感参数的提取、全工况代表点侦测及全工况优化目标函数的构建、全工况设计优化问题的高效自适应求解；

所述全工况代表点侦测的具体过程为：

针对影响液体膨胀机运行的N个低温流程运行参数，在所述低温流程运行参数的变化范围内，基于均匀设计试验法构造全工况代表点侦测方法，并利用构造的全工况代表点侦测方法侦测M个N维全工况代表点，其中，任一运行参数在其范围内，均被等分并分配给M个全工况代表点；

考虑影响液体膨胀机运行的主要低温流程运行参数，所述影响液体膨胀机运行的主要低温流程运行参数包括入口温度T_in、入口压力P_in及流量mass的变化，根据低温液体膨胀机的运行特性、不同的入口温度、入口压力计算入口边界条件；通过数值计算建立流量与喷嘴安装角β_nozzle及进口压力的二元相关关系，即mass＝f_mass(P_in,β_nozzle)；

构建的全工况优化目标函数为：

subject:Refri_i＞Refri_min

其中，Obj为全工况优化目标函数，为对整机性能敏感的叶轮子午型线及中弧线控制变量，Refri_i、mass_i及eff_i分别为运行在第i个全工况代表点的制冷量、流量以及效率，i＝0代表设计点工况，i＝1～M代表其余全工况代表点工况，Refri_min为低温流程所需最小制冷量；

还包括：结合叶轮几何参数化方法、多工况数值预测方法、全工况优化目标函数以及高效自适应协同优化方法，建立低温液体膨胀机全工况优化设计平台，具体过程为：

1)针对整机性能敏感的叶轮子午型线及中弧线控制变量利用实验设计方法在其变化范围内确定NUM组叶轮几何参数，针对各组叶轮几何参数对应的三维叶轮及膨胀机整机，通过多工况数值预测模块获得其在设计点及M个全工况代表点的效率及制冷量，并计算目标函数值然后在NUM组控制变量及对应函数值基础上建立初始代理模型；

2)在初始代理模型基础上，构建同时考虑模型预测值及预测标准差的自适应采样策略；该自适应采样策略通过最大化改进值I的期望同时修正模型拟合参数向量以及全局搜索最具潜力叶轮几何参数辅助优化问题为高维非线性优化问题，利用协同进化算法求解所述辅助优化问题，得新设计样本

3)针对新设计样本通过叶轮几何参数化模块获得对应叶轮几何数据，然后进行全自动多工况流场分析、提取流场结果，得目标函数值再将新设计样本及其目标函数值加入样本数据库，并开始下一迭代搜索，直至满足预设中止条件后输出优化后的叶轮几何。

2.根据权利要求1所述的低温液体膨胀机全工况优化设计方法，其特征在于，液体膨胀机整机多工况性能数值的预测的具体过程为：

在考虑蜗壳、喷嘴、叶轮及扩压管流道的整机环境下进行流动数值模拟；考虑低温液态工质的低温热力学效应，将介质密度、粘性、热导率以及比热容作为温度及压力的函数，并结合总能方程进行求解，得液体膨胀机整机多工况性能数值。

3.根据权利要求1所述的低温液体膨胀机全工况优化设计方法，其特征在于，通过对叶轮三维几何形状进行调节，以匹配膨胀机在不同工况点的流动特性，获取满足宽工况变工况运行要求的最优三维叶轮几何；

其中，叶轮几何参数化表达方式为：叶轮几何由子午面型线和三维扭曲叶片共同定义，使用贝塞尔曲线分别对午面型线、叶顶及叶根叶型中弧线进行参数化描述，通过调节曲线控制点坐标实现叶轮午面型线及三维叶片的协同变化；

叶轮几何敏感参数的提取过程为：通过改变子午型线和叶片中弧线控制点参数，以获得不同形状的叶轮，对各叶轮及整机进行几何建模、网格划分及流场数值预测，然后通过变量敏感性分析，侦测对膨胀机效率和制冷量敏感的若干子午型线及叶片中弧线控制点坐标，将对膨胀机效率和制冷量敏感的若干子午型线及叶片中弧线控制点坐标作为优化变量以优化叶轮几何参数化。