[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
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及離心泵的優化設計，公開了一種基于遺傳算法優化的高溫高壓的極限工況下運行的離心式葉輪的多學科設計方法。本發明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。

技術領域

本發明涉及離心泵的優化設計，具體是一種基于遺傳算法優化的高溫高壓的極限工況下運行的離心式葉輪的多學科設計方法。

背景技術

近年來一些大型高溫高壓多級離心泵在世界各國都向大容量、高轉速、高效率、可靠性、低噪聲及自動化等方向發展。目前高溫高壓多級離心泵的需求量越來越大，然而國內對大型工業用泵的研制難以取得突破，大部分依賴于進口。高溫高壓離心泵的設計涉及到流體力學、材料力學、結構力學和熱力學等多個學科，比如消防泵、超超鍋爐給水泵、核電站上充泵都屬于高溫高壓多級離心泵。傳統的設計方法往往對每個子系統(學科)單獨優化，企圖將幾個最優的子系統組合成一個也是最優的大系統。這種設計方法忽視工程系統內部各子系統間的相互關系，從而不能滿足工程技術發展的需要。一方面，結構、動力、控制等學科的理論不斷完善，計算能力的飛速發展使得設計人員能夠建立更復雜的數學模型、分析更詳細的構形、提高分析結果的精度，比如采用有限元法進行結構分析，利用計算流體力學進行流場分析等等，但上述進步基本上是發生在特定的學科或子系統的范圍內，并沒有為總體設計帶來什么直接的益處。與各學科或子系統理論蓬勃發展形成強烈對比的是，長期以來，泵類流體機械的設計總體設計方法的發展一直停滯不前，其理論落后、方法陳舊，雖然這些理論和方法在過去數十年發揮了極其重要的作用，為我國泵行業的發展做出了巨大的貢獻，但是它們忽視工程系統中各學科之間的耦合效應、不能充分利用學科的發展成果、與工程設計組織形式不一致。本發明主要是基于遺傳優化算法提供一種基于流體力學、材料力學、結構力學和熱力學四個學科的高溫高壓泵葉輪的水力設計方法，通過采用先進的CFD技術和有限元分析技術以及建立的多學科優化的數學模型對高溫高壓離心泵的葉輪進行設計與優化。

發明內容

本發明的目的：提供一種基于流體力學、材料力學、結構力學和熱力學四個學科的高溫高壓泵葉輪的水力設計方法，通過對設計方案的多學科評估，在保證泵的水力性能優于設計指標的情況下，使泵的安全特性最佳。

為實現上述目的，基于遺傳算法對高溫高壓離心式葉輪進行優化，本離心式葉輪主要工作在高溫高壓的極限工況下，其由前蓋板、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；