[發明專利]基于遺傳算法的高溫高壓離心式葉輪多學科優化方法

有效

• 申請號: 201611050738.4
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN106777526B
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發明（設計）人: 朱榮生;盧永剛;付強;王秀禮;司翔宇;邱偉峰
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06N3/08
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• 代理人: 暫無信息

1.基于遺傳算法的高溫高壓離心式葉輪多學科優化方法，所述離心式葉輪由前蓋板、葉片和后蓋板三部分組成，其特征在于，將高溫高壓離心式葉輪的優化流程模塊化，

模塊一為基于遺傳算法的水力設計模塊，

模塊二為基于CFD技術的CFD計算模塊，

模塊三為基于二次遺傳優化的流固熱耦合計算模塊，

模塊四是系統優化模塊，

其中水力設計模塊、CFD計算模塊、流固熱耦合模塊順次相連，前一個模塊的計算結果作為后一個模塊計算的初始條件，并將CFD計算模塊和流固熱耦合模塊計算結果作為系統優化模塊的輸入，分析兩個模塊相互作用產生的協調效應獲得系統整體最優解，包括以下設計步驟：

步驟1：結合多工況水力設計方法、低氣蝕、不等揚程水力設計方法設計葉輪的結構參數，設定高溫高壓離心式葉輪結構參數的約束范圍，包括設計參數Ⅰ葉輪出口直徑D2、設計參數Ⅱ葉輪葉片包角設計參數Ⅲ葉片進口安放角β1、設計參數Ⅳ葉片出口安放角β2、設計參數Ⅴ葉輪出口寬度b2五個系統變量x1、x2、x3、x4、x5，每個系統變量對應7種設計方案；

步驟2：基于遺傳算法的雜交、自然選擇以及突變的思想，首先將對每個系統變量進行編碼，每一個系統變量對應7種設計方案，每個方案分別用3位無符號二進制整數來表示，公式如下：

然后，將五個系統變量均任取一個對應的設計方案，組成表現型X，然后將表現型X轉換為15位無符號二進制數，就形成了個體的基因型；

步驟3：建立高溫高壓離心式葉輪的初始種群，任取種群規模為8，每個個體可通過隨機方法產生，遺傳算法中以個體適應度的大小來評定各個個體的優劣程度，從而決定其遺傳機會的大小，而在高溫高壓離心式葉輪的設計中以求函數最大值為優化目標，可通過CFD計算結果直接利用效率的目標函數值作為個體的適應度，然后進行選擇運算，然后進行交叉運算，然后進行變異運算，以水力性能為優化目標，對新一代群體進行優勝略汰的評價選擇，對群體再進行一輪選擇、交叉、變異運算之后可得到新一代的8個最優群體，然后進入步驟4；

步驟4：采用商業CFD模擬軟件將步驟3中選出的8種最優方案進行熱流場的計算分析，得到的計算結果，進入步驟5；

步驟5：對該離心式葉輪和軸結構進行三維建模，采用有限元分析軟件對葉輪及軸系結構進行基于有限元的熱力學分析，并將步驟4中的熱流場計算結果中的流固接觸面的壓力信息導入并施加在葉輪結構上，分析葉輪的應力應變分布情況并進行綜合評估，遴選出4種最優方案；當高溫工況下葉片變形超過設計要求時，葉片厚度增加原葉片厚度的0.08至0.15倍，當葉片變形遠優于要求規定的變形量時，葉片厚度減小原葉片厚度的0.05至0.09倍；將4種最優方案葉片厚度進行調整后，重新進入步驟4進行泵的熱流場計算，直至優化厚度后葉片最大變形超過設計要求指標的8％，然后進入步驟5；

步驟6：將最終4種最優方案的泵水力性能、葉輪結構的有限元安全特性、泵氣蝕性能三方面進行綜合評估，考慮的指標重要性依次是：葉輪結構的有限元安全特性泵氣蝕性能泵水力性能，并構建高溫高壓離心泵系統多學科優化目標函數的數學模型，得到1種最優方案。

2.根據權利要求1中所述的基于遺傳算法的高溫高壓離心式葉輪多學科優化方法，其特征在于，步驟1中，首先給出高溫高壓離心泵的初始解，包含葉輪的進出口直徑、葉片包角、葉片出口寬度、葉片進出口安放角、葉片厚度，系統變量的初始條件由以下約束確定：

D₁＝(0.51～0.87)·D₂；

β₂＝(1.12～1.32)·β₁；

z＝4～7；

式中：

D₂—葉輪出口直徑，mm；

n_s—泵比轉速，

Q—泵流量，m³/h；

n—泵轉速；

D₁—葉輪進口直徑，mm；

b₂—葉輪出口寬度，mm；

—葉輪葉片包角，o；

β₁—葉片進口安放角，o；

β₂—葉片出口安放角，o；

z—葉輪葉片數。