[发明专利]一种低温液体膨胀机抗空化整流锥协同优化设计方法

权利要求书

1.一种低温液体膨胀机抗空化整流锥协同优化设计方法，其特征在于，对低温液体膨胀机叶轮增设整流锥，并对低温液体膨胀机叶轮及整流锥的三维几何形状进行协同优化，以控制叶轮下游旋涡空化流动，具体包括以下步骤：依次进行低温液体膨胀机两相旋涡空化数值预测、叶轮-整流锥与旋涡空化干涉机理分析及最佳耦合方式判别、整流锥-叶轮耦合参数化表达建立、带整流锥的膨胀机叶轮几何敏感参数提取、旋涡空化特征量提取、旋涡空化抑制目标函数构建及以抑制旋涡空化为目标的叶轮-整流锥几何协同优化问题建立和其自适应求解；

低温液体膨胀机内旋涡空化流动的特征化表述包括以下步骤：

通过对不同形态旋涡-空化流动进行机理分析，提取叶轮叶片吸力面的平均气体体积分数vfrac_ave，并以此作为叶轮出口处空化程度表征量，将叶轮下游扩压管内平均旋涡强度λ_ave作为旋涡流动表征量，其中，叶片吸力面气体体积分数vfrac的分布由两相数值模拟预测，当地漩涡强度λ通过对数值模拟得到的局部速度梯度张量进行特征值分析获得；

其特征在于，构建的旋涡-空化抑制多目标优化函数为：

其中，为对旋涡-空化流动敏感的叶轮及整流锥几何敏感参数，Refri_original和Refri分别为优化前后膨胀机所产制冷量；

以抑制旋涡空化为目标的叶轮-整流锥几何协同优化问题的高效自适应求解过程为：

1)针对膨胀机叶轮及整流锥几何敏感参数，利用DOE实验设计在膨胀机叶轮及整流锥几何敏感参数变化范围内确定NUM组变量组合，针对各组变量组合中参数对应的三维叶轮及整流锥几何，通过整机数值模拟获得流场信息，并计算旋涡-空化抑制多目标优化函数，得目标函数值

2)根据参数及其对应的目标函数值拟合各优化目标的初始代理模型；

3)构建同时考虑模型预测值及预测标准差的多目标采样策略，其中，m为优化目标的个数，通过最大化多目标改进期望矩阵的规范数即搜索最具潜力的候选设计，其中，搜索到的最具潜力的候选设计为：

通过搜索到的最具潜力的候选设计对代理模型及全局搜索进行优化，其中，k为从NUM个已评估样本点中，通过非支配排序获得的多目标帕累托前沿非支配点的个数；

4)利用协同进化优化算法求解并构建以自适应采样-协同优化为特征的优化方式，以获得有潜力的候选设计，利用该候选设计对应的两相数值模拟结果及多目标函数值对代理模型动态更新并对下一次迭代全局搜索，直至满足预定终止条件后，输出优化后的叶轮及整流锥几何。

2.根据权利要求1所述的低温液体膨胀机抗空化整流锥协同优化设计方法，其特征在于，低温液体膨胀机两相旋涡空化的数值预测具体包括以下步骤：

建立包括蜗壳、喷嘴、带整流锥的叶轮及扩压管流道的整机模型，再根据所述整机模型，采用Rayleigh-Plesset空化模型对液体膨胀机内两相流动进行描述，利用湍流模型及可变壁面函数法描述液体膨胀机叶轮下游的束辫状旋涡流动；同时将热物性表达为温度和压力的函数并结合总能方程进行求解，以考虑低温流体热力学效应，实时更新计算过程中物性随压力和温度的变化。

3.根据权利要求1所述的低温液体膨胀机抗空化整流锥协同优化设计方法，其特征在于，叶轮-整流锥与旋涡空化干涉机理分析及最佳耦合方式判别的具体操作过程为：

针对低温液体膨胀机工况参数，进行叶轮-整流锥与旋涡空化干涉机理分析，建立整流锥几何形状与旋涡空化相关性关系，然后以此确定与工况相匹配的最佳整流锥形式以及叶轮-整流锥最佳耦合方式，并构建整流锥与三维叶轮耦合参数化设计方案。

4.根据权利要求1所述的低温液体膨胀机抗空化整流锥协同优化设计方法，其特征在于，基于叶轮-整流锥最佳耦合方式，构建整流锥-叶轮耦合的参数化表达，即，带整流锥叶轮几何由子午面二维轮廓线和三维扭曲叶片共同表达，子午面二维轮廓线使用参数化的叶轮轮盖线、轮盘线及与之平滑相接的整流锥外廓线描述，三维扭曲叶片利用样条曲线控制点对三维叶片叶顶及叶根中弧线进行形变控制。

5.根据权利要求1所述的低温液体膨胀机抗空化整流锥协同优化设计方法，其特征在于，带整流锥的膨胀机叶轮几何敏感参数提取的具体过程为：

通过改变子午轮廓线几何参数及叶型中弧线控制点坐标参数，获取不同形状的叶轮及整流锥几何，再进行网格划分及两相流场数值求解，然后针对模拟结果进行变量敏感性分析，获取对旋涡-空化流动敏感的若干子午轮廓线几何参数及叶型中弧线控制点参数，将所述几何敏感参数及坐标作为优化变量，在优化设计中对三维叶轮及整流锥几何进行协同精细化调节。