一种用于高温泵设计的多变量多目标并行优化方法技术

本发明专利技术是一种用于高温泵设计的多变量多目标并行优化方法，本发明专利技术基于多目标多学科优化基础，本高温泵主要工作在>300摄氏度度的极限工况下，将高温泵的优化流程模块化，模块一为实验设计模块，模块二为多目标并行优化算模块，模块三为最优分析和重新设计模块。本发明专利技术结合CFD计算和有限元分析，并建立高温泵的数据库，对水力性能、气蚀性能和安全可靠性三个指标进行评估，且多个设计变量，得到对高温泵三个优化指标的最优设计和最差设计，并利用最差设计的结果去约束最优设计，从而建立一种多变量多目标并行的高温泵的设计优化方法。

A Multivariable Multiobjective Parallel Optimization Method for High Temperature Pump Design

The invention is a multi-variable multi-objective parallel optimization method for high-temperature pump design. The invention is based on multi-objective multi-disciplinary optimization. The main work of the high-temperature pump is to modularize the optimization process of the high-temperature pump under the limit condition of > 300 degrees Celsius. The module is an experimental design module, the module is a multi-objective parallel optimization calculation module, and the module is an optimal analysis and redesign. Modular. The invention combines CFD calculation and finite element analysis, establishes a database of high temperature pumps, evaluates three indexes of hydraulic performance, cavitation performance and safety reliability, and obtains the optimal design and the worst design of three optimization indexes of high temperature pumps by multiple design variables, and uses the results of the worst design to restrain the optimal design, thereby establishing a multi-variable, multi-objective and parallel high. Design optimization method of temperature pump.

【技术实现步骤摘要】
一种用于高温泵设计的多变量多目标并行优化方法
本专利技术涉及高温泵的优化设计方法，具体是一种用于高温泵设计的多变量多目标并行优化方法。
技术介绍
高温泵广泛应用于发电、石油、化工、制药等众多领域。随着国家标准的提高，对高温泵的性能及安全可靠性的要求越来越高，且越来越多的厂家，对其输送的介质都要求无泄漏的工艺环境，迫切需要选择理想的泵型。目前高端的高温泵的需求量越来越大，然而国内对大型工业用泵的研制难以取得突破，大部分依赖于进口。高温高压离心泵的设计涉及到流体力学、材料力学、结构力学和热力学等多个学科，偶家标注比如消防泵、超超锅炉给水泵、核电站上充泵都属于高温高压多级离心泵。传统的设计方法是基于速度系数法，根据经验对介质为水的泵模型进行改进，然而这种设计考虑的因素过于单一，仅仅把高温泵的水力性能考虑在内，高温泵的设计还有两个很重要的指标，即气蚀性能和安全可靠性，需要保证高温泵经过使用长时间的生产性连续运行考验。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种适用于高温泵的水力优化方法，将传统的水力设计应用于高温泵，并通过多变量多目标并行优化的方式，基于流体力学、材料力学、结构力学和热力学四个学科对高温泵进行水力设计，主要优化指标包括效率、气蚀性能和结构可靠性三个方向，同时满足高温泵在水力设计和安全性能的指标。本专利技术采用如下技术方案：一种用于高温泵设计的多变量多目标并行优化方法，其特征在于，包括如下步骤：分别建立效率、气蚀性能和结构可靠性的优化目标模型集合首先，基于正交优化，分别建立第一优化目标效率的52组数学模型集，对每组数据对应的泵模型进行水力建模，并基于CFD模拟技术计算其水力效率模型集，每组包括12因素和5变量，12因素包括11个结构参数和1个水力效率值；其次，对水力效率模型集进行随机变异，建立以气蚀性能为第二优化目标的52组数学模型集合，依次对每组数据对应的泵模型进行水力建模，并基于CFD模拟技术计算其气蚀性能模型集，每组包括12因素和5变量，12因素包括11个结构参数和1个气蚀余量值；再次，对气蚀性能模型集进行随机变异，建立以结构可靠性为第三优化目标的52组数学模型集合，依次对每组数据对应的泵模型进行水力建模，并基于CFD模拟技术计算得到叶轮和导叶与流体相交的交界面流体压力数据，然后基于workbench搭建流体机械的单向耦合的数学计算模型，将交界面流体压力数据导入workbench中对叶轮和导叶的静力分析模块，计算叶轮和导叶的最大变形量和最大应变力得到结构可靠性模型集，每组包括13因素和5变量，13因素包括11个结构参数、1个最大应变力值和1个最小应变力值；多目标并行优化抽样组合设计首先，分别将水力效率模型集、气蚀性能模型集和结构可靠性模型集中评价指标最差的18个模型去除；其次，分别对水力效率模型集、气蚀性能模型集和结构可靠性模型集中剩余的34个模型，根据对应的评价指标进行重新排序，并将对应的编号依次填入结构可靠性模型集中构成对比组合表；结构参数变量的最优分析通过对比组合表的前10组数据，分析同时使效率、气蚀性能和结构可靠性三个优化目标最优的最优参数，对最优参数出现的频率进行统计，根据其中三组最优组合的水力模型规定每个结构参数对应的取值范围；通过对比组合表的后8组数据，分析同时使效率、气蚀性能和结构可靠性三个优化目标最差的最差参数，对最差参数出现的频率进行统计，找出与最优组合相互重叠的参数，将其视为不动因素。所述结构参数包括叶轮出口直径D2、叶片进口安放角β1、叶片出口安放角β2、叶轮出口倾斜角γ、叶轮叶片包角叶轮叶片出口宽度b2、叶轮导叶进出口间隙L、导叶叶片数Z2、导叶叶片包角导叶叶片进口安放角β3、导叶叶片出口宽度b3；所述5变量即包括5种设计方案。所述11个结构参数的初始条件由以下约束确定：ns≤300，n为泵转速，Q为泵流量；β1＝20～35；β2＝(1.2～1.3)·β1；γ＝60～75；D1为叶轮进口直径；L＝2～6mm；Z2＝4～7；Φ2＝50～80；β3＝(0.85～0.98)·β2；b3＝(0.35～0.45)·D1。所述对水力效率模型集进行随机变异为分别将所述水力效率模型集的每组数据的其中2-4个结构参数进行随机变异。所述对气蚀性能模型集进行随机变异包括分别将气蚀性能模型集中的每组数据的其中2-4个结构参数进行随机变异。所述根据对应的评价指标进行重新排序，并将对应的编号依次填入结构可靠性模型集中，具体为：按照评价指标最优至最低的顺序进行重新排序，并将对应的编号依次填入结构可靠性模型集中构成对比组合表。所述取值范围的上限值为三组最优组合中的最大值，下限值为三组最优组合中的最小值。由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术基于多目标多学科优化基础，包括结构设计和水力设计，涉及到流体力学、材料力学、结构力学和热力学等多个学科，结合CFD计算和有限元分析，并建立高温泵的数据库，对水力性能、气蚀性能和安全可靠性三个指标进行评估，且设计变量为11个，得到对高温泵三个优化指标的最优设计的数据库和最差设计的数据库，并利用最差设计的结果去约束最优数据库，从而建立一种多变量多目标并行的高温泵的设计优化方法。本专利技术能在保证泵的水力性能、气蚀性能、可多工况运行的情况下，使泵的安全特性最佳，更可靠。附图说明图1是本专利技术高温泵的结构简图；附图标记说明：1-叶轮，2-叶轮叶片，3-导叶，4-导叶叶片。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的描述。图1是本专利技术一个实施例的叶轮和导叶的结构简图，基于多变量及多目标并行优化方法对高温泵叶轮和导叶进行优化，本高温泵主要工作在>300摄氏度度的极限工况下，将高温泵的优化流程模块化，模块一为实验设计模块，模块二为多目标并行优化算模块，模块三为最优分析和重新设计模块；具体方法如下：设计参数Ⅰ叶轮出口直径D2、设计参数Ⅱ叶片进口安放角β1、设计参数III叶片出口安放角β2、设计参数IV叶轮出口倾斜角γ、设计参数V叶轮叶片包角设计参数VI叶轮叶片出口宽度b2、设计参数VII叶轮导叶进出口间隙L、设计参数VIII导叶叶片数Z2、设计参数IX导叶叶片包角设计参数X导叶叶片进口安放角β3、设计参数XI导叶叶片出口宽度b3，十一个结构参数的初始条件由以下约束确定：x1:x2:β1＝20～35；x3:β2＝(1.2～1.3)·β1；x4:γ＝60～75，叶轮出口平面的法线与轴线的夹角；x5:x6:x7:L＝2～6mm，叶轮出口平面与导叶进口所在平面的距离；x8:Z2＝4～7；x9:Φ2＝50～80；x10:β3＝(0.85～0.98)·β2；x11:b3＝(0.35～0.45)·D1；将设计参数Ⅰ叶轮出口直径D2、设计参数Ⅱ叶片进口安放角β1、设计参数III叶片出口安放角β2、设计参数IV叶轮出口倾斜角γ、设计参数V叶轮出口倾斜角设计参数VI叶轮叶片出口宽度b2、设计参数VII叶轮导叶进出口间隙L、设计参数VIII导叶叶片数Z2、设计参数IX导叶叶片包角设计参数X导叶叶片进口安放角β1、设计参数XI导叶叶片出口宽度b3，分别用11个系统变量x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9、x10、x1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高温泵设计的多变量多目标并行优化方法，其特征在于，包括如下步骤：分别建立效率、气蚀性能和结构可靠性的优化目标模型集合首先，基于正交优化，分别建立第一优化目标效率的52组数学模型集，对每组数据对应的泵模型进行水力建模，并基于CFD模拟技术计算其水力效率模型集，每组包括12因素和5变量，12因素包括11个结构参数和1个水力效率值；其次，对水力效率模型集进行随机变异，建立以气蚀性能为第二优化目标的52组数学模型集合，依次对每组数据对应的泵模型进行水力建模，并基于CFD模拟技术计算其气蚀性能模型集，每组包括12因素和5变量，12因素包括11个结构参数和1个气蚀余量值；再次，对气蚀性能模型集进行随机变异，建立以结构可靠性为第三优化目标的52组数学模型集合，依次对每组数据对应的泵模型进行水力建模，并基于CFD模拟技术计算得到叶轮和导叶与流体相交的交界面流体压力数据，然后基于workbench搭建流体机械的单向耦合的数学计算模型，将交界面流体压力数据导入workbench中对叶轮和导叶的静力分析模块，计算叶轮和导叶的最大变形量和最大应变力得到结构可靠性模型集，每组包括13因素和5变量，13因素包括11个结构参数、1个最大应变力值和1个最小应变力值；多目标并行优化抽样组合设计首先，分别将水力效率模型集、气蚀性能模型集和结构可靠性模型集中评价指标最差的18个模型去除；其次，分别对水力效率模型集、气蚀性能模型集和结构可靠性模型集中剩余的34个模型，根据对应的评价指标进行重新排序，并将对应的编号依次填入结构可靠性模型集中构成对比组合表；结构参数变量的最优分析通过对比组合表的前10组数据，分析同时使效率、气蚀性能和结构可靠性三个优化目标最优的最优参数，对最优参数出现的频率进行统计，根据其中三组最优组合的水力模型规定每个结构参数对应的取值范围；通过对比组合表的后8组数据，分析同时使效率、气蚀性能和结构可靠性三个优化目标最差的最差参数，对最差参数出现的频率进行统计，找出与最优组合相互重叠的参数，将其视为不动因素。...

【技术特征摘要】
1.一种用于高温泵设计的多变量多目标并行优化方法，其特征在于，包括如下步骤：分别建立效率、气蚀性能和结构可靠性的优化目标模型集合首先，基于正交优化，分别建立第一优化目标效率的52组数学模型集，对每组数据对应的泵模型进行水力建模，并基于CFD模拟技术计算其水力效率模型集，每组包括12因素和5变量，12因素包括11个结构参数和1个水力效率值；其次，对水力效率模型集进行随机变异，建立以气蚀性能为第二优化目标的52组数学模型集合，依次对每组数据对应的泵模型进行水力建模，并基于CFD模拟技术计算其气蚀性能模型集，每组包括12因素和5变量，12因素包括11个结构参数和1个气蚀余量值；再次，对气蚀性能模型集进行随机变异，建立以结构可靠性为第三优化目标的52组数学模型集合，依次对每组数据对应的泵模型进行水力建模，并基于CFD模拟技术计算得到叶轮和导叶与流体相交的交界面流体压力数据，然后基于workbench搭建流体机械的单向耦合的数学计算模型，将交界面流体压力数据导入workbench中对叶轮和导叶的静力分析模块，计算叶轮和导叶的最大变形量和最大应变力得到结构可靠性模型集，每组包括13因素和5变量，13因素包括11个结构参数、1个最大应变力值和1个最小应变力值；多目标并行优化抽样组合设计首先，分别将水力效率模型集、气蚀性能模型集和结构可靠性模型集中评价指标最差的18个模型去除；其次，分别对水力效率模型集、气蚀性能模型集和结构可靠性模型集中剩余的34个模型，根据对应的评价指标进行重新排序，并将对应的编号依次填入结构可靠性模型集中构成对比组合表；结构参数变量的最优分析通过对比组合表的前10组数据，分析同时使效率、气蚀性能和结构可靠性三个优化目标最优的最优参数，对最优参数出现的频率进行统计，根据其中三组最优组合的水力模型规定每个结构参数对应的取值范围；通过对比组合表的后8组数据，分析同时使效率、气蚀性能和结构可靠性三个优...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡奕侨，彭德明，吴端伟，张惠臻，王成，田晖，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35