一种薄层浮油转移装置的仿生流道优化设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种薄层浮油转移装置的仿生流道优化设计方法，基于pro/e 5.0对一种适用于水表薄层浮油中端转移设备的主要部件(仿生流道)进行了参数化3D虚拟建模，并利用均匀设计试验法和VOF法在仿生流道的各结构参数范围内提取了13组样本点，结合GA&ANN优化算法得到了最优浮油转移效率的仿生流道结构参数。最后，在仿生流道内部油气水三相流流动的三维CFD模拟基础上，分析了影响仿生流道浮油转移效率的因素，为水表薄层浮油中端转移收集技术开拓了一条道路。

【技术实现步骤摘要】
一种薄层浮油转移装置的仿生流道优化设计方法
本专利技术涉及浮油转移
，具体涉及一种薄层浮油转移装置的仿生流道的优化设计方法。
技术介绍
目前，水面浮油处理的前端拦截导集技术[1-2]与后端油水分离技术[3-4]已日臻成熟，而将污染水面的油水混合物从导集区转移到油水分离设备中的中端转移技术还处于工况范围较窄的探索期，中端转移技术和设备主要适用于浮油泄漏量较大、油层较厚的场合，但其对水表薄层浮油的应用效果很差。另外，随着CFD软件的日益完善，模型仿真结果的可信度和可靠性已大为提升，减轻了对高昂制造试验模型成本的依赖。因此，越来越多的流体机械在前期模型设计阶段应用CFD数值模拟技术。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种薄层浮油转移装置的仿生流道的优化设计方法，利用均匀设计试验法[5]在薄层浮油转移装置的仿生流道的各结构参数范围内选取若干样本点，并基于proe5.0的一般混合曲面功能进行仿生流道的参数化3D虚拟建模；通过CFD仿真软件Fluent中的VOF模型来获得各样本点下三维仿生流道所对应的输出参数[6]。然后在MATLAB中运用BP神经网络的非线性拟合能力建立起拟合样本点的模型，再利用遗传算法的非线性寻优能力找到该仿生流道的最优结构参数。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种薄层浮油转移装置的仿生流道优化设计方法，包括如下步骤：S1基于proe5.0的一般混合曲面功能进行仿生流道的参数化3D虚拟建模，得到仿生流道的3D虚拟模型；S2利用均匀设计试验法在仿生流道的各结构参数范围内选取若干样本点，组成实际应用的均匀试验设计安排表；S3通过CFD仿真软件Fluent中的VOF模型来获得各样本点下三维仿生流道所对应的输出参数；S4在MATLAB中运用BP神经网络建立起拟合样本点的模型，再利用遗传算法找到仿生流道的最优结构参数。需要说明的是，步骤S3的具体步骤为：3.1)将3D虚拟模型导入到ICEM中进行网格划分，在边界层处建立起棱柱型网格，得到网格模型；3.2)将划分好的网格模型导入到CFD仿真软件FLUENT中的VOF三相流模型进行数值计算，仿生流道入口设为速度入口，水和油的流速设为0.6m/s；采用三维基于压力隐式瞬态求解器，粘性流动状态用RNGκ―ε双方程模型，压力—流速耦合采用SIMPLE算法，固壁表面无滑移，收敛误差设为10-3，最大迭代次数设为800；3.3)每组试验模型在FLUENT中经过6个小时左右的仿真运行后，得到各组数据对应的仿生流道模型出口处混合物的平均流量和出口处油的平均体积分数。进一步需要说明的是，仿生流道结构为一中心对称三维模型，所述3D虚拟模型为通过取步骤S2中得到的3D虚拟模型的一半得到的简化3D虚拟模型。进一步需要说明的是，网格数为100万-240万。需要说明的是，步骤S4具体步骤如下：4.1)在MATLAB中利用若干组试验输入数据与对应的输出数据来训练2层含33个隐层节点数的拓扑结构的BP神经网络，并取若干组试验数据矩阵作为其测试集；使用训练的BP神经网络对原始试验数据进行逼近拟合与预测，得到拟合函数；4.2)将使用BP神经网络逼近得到的拟合函数作为遗传算法的适应度函数，对种群中的每一个个体进行适应度值计算，进而经过选择、交叉、变异的循环操作计算过程，最终寻得该仿生流道出口处油的平均流量的近似最大值和相对应的仿生流道的各结构参数。进一步需要说明的是，步骤4.2)中，初始种群大小为20，交叉算子取为0.4，变异算子取为0.2，最大迭代次数取为100。需要说明的是，步骤S2中，根据均匀试验设计U13(1312)使用表的规定组成实际应用的均匀试验设计安排表。需要说明的是，所述结构参数包括在仿生流道上选取的截面2的长度L1、截面3的长度L2、截面2参考坐标系x轴旋转角度α、截面4参考坐标系x轴旋转角度β、截面2与截面1间的深度H1、截面3与截面2间的深度H2、截面4与截面3间的深度H3。本专利技术的有益效果在于：本专利技术利用均匀设计试验法[5]在薄层浮油转移装置的仿生流道的各结构参数范围内选取若干样本点，并基于proe5.0的一般混合曲面功能进行仿生流道的参数化3D虚拟建模；通过CFD仿真软件Fluent中的VOF模型来获得各样本点下三维仿生流道所对应的输出参数[6]。然后在MATLAB中运用BP神经网络的非线性拟合能力建立起拟合样本点的模型，再利用遗传算法的非线性寻优能力找到该仿生流道的最优结构参数。实验证明，本专利技术方法的性能较佳，为水表薄层浮油中端转移收集技术开拓了一条道路。附图说明图1为本专利技术实施例中方法流程图；图2为本专利技术实施例中proe5.0中构建的仿生流道的3D物理模型；图3为本专利技术实施例中仿生流道的计算区域网格示意图；图4为本专利技术实施例中神经网络训练和测试结果示意图；图5为本专利技术实施例中遗传算法的迭代过程示意图；图6为本专利技术实施例中优化模型的外特性示意图；图7为本专利技术实施例中仿生流道中浮油体积分数等值线图，其中(a)对应原模型，(b)对应优化模型；图8为本专利技术实施例中仿生流道出口处浮油体积分数分布云图，其中(a)对应原模型，(b)对应优化模型；图9为仿生流道出口处湍动能分布云图，其中(a)对应原模型，(b)对应优化模型。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围并不限于本实施例。薄层浮油转移装置主要包括提升系统、吊链、仿生流道、污水泵、出油口、输送管道及测量控制系统等。通过提升系统可以调整仿生流道的吃水深度，具有一定的鲁棒性，适用于不同厚度的油层；吊链末端通过U型卸扣链接，通过增减其数量来使仿生流道保持平衡；仿生流道以鸭子嘴为原型进行了一定的仿生处理。工作时，流入仿生流道中的是油-气-水的混合物，经污水泵之后将其提升到河提上放置油水分离器中进行处理。如图1所示，本实施例是对上述装置中的仿生流道进行结构优化和CFD模拟，其在proe5.0中构建的物理模型如图2所示，其中仿生流道下端出口参数为φ60mm，上端入口的高度为60mm，其他所需参数如下：截面2的长度L1、截面3的长度L2、截面2参考坐标系x轴旋转角度α、截面4参考坐标系x轴旋转角度β、截面2与截面1间的深度H1、截面3与截面2间的深度H2、截面4与截面3间的深度H3。一、均匀试验设计所需优化的参数有L1、L2、α、β、H1、H2、H3这7个。由m/2+1＝7，得m＝12，则n＝m+1＝13，故选择U13(1312)表可以使试验次数最少。考虑到试验样机的结构参数和试验安排的合理方便，7个试验变量的取值范围如表1所示。表1试验变量取值范围根据均匀试验设计U13(1312)使用表的规定，组成实际应用的均匀试验设计安排表如表2所示。表2均匀试验设计安排表二、控制方程及数值模拟2.1控制方程仿生流道收集浮油的过程是一个油-气-水混合流体流动的过程，可采用较为成熟的VOF方法进行浮油收集过程中的多相流流动分析。通过建立各相的体积分数的连续性方程和动量守恒方程[7]，可实现各相间的界面追踪。连续性方程：式中：αq为第q相流体的体积分数；mpq为第p相到第q相的质量输送；mqp为第q相到第p本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄层浮油转移装置的仿生流道优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1基于proe 5.0的一般混合曲面功能进行仿生流道的参数化3D虚拟建模，得到仿生流道的3D虚拟模型；S2利用均匀设计试验法在仿生流道的各结构参数范围内选取若干样本点，组成实际应用的均匀试验设计安排表；S3通过CFD仿真软件Fluent中的VOF模型来获得各样本点下三维仿生流道所对应的输出参数；S4在MATLAB中运用BP神经网络建立起拟合样本点的模型，再利用遗传算法找到仿生流道的最优结构参数。

【技术特征摘要】
1.一种薄层浮油转移装置的仿生流道优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1基于proe5.0的一般混合曲面功能进行仿生流道的参数化3D虚拟建模，得到仿生流道的3D虚拟模型；S2利用均匀设计试验法在仿生流道的各结构参数范围内选取若干样本点，组成实际应用的均匀试验设计安排表；S3通过CFD仿真软件Fluent中的VOF模型来获得各样本点下三维仿生流道所对应的输出参数；S4在MATLAB中运用BP神经网络建立起拟合样本点的模型，再利用遗传算法找到仿生流道的最优结构参数。2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤S3的具体步骤为：3.1)将3D虚拟模型导入到ICEM中进行网格划分，在边界层处建立起棱柱型网格，得到网格模型；3.2)将划分好的网格模型导入到CFD仿真软件FLUENT中的VOF三相流模型进行数值计算，仿生流道入口设为速度入口，水和油的流速设为0.6m/s；采用三维基于压力隐式瞬态求解器，粘性流动状态用RNGκ―ε双方程模型，压力—流速耦合采用SIMPLE算法，固壁表面无滑移，收敛误差设为10-3，最大迭代次数设为800；3.3)每组试验模型在FLUENT中经过6个小时左右的仿真运行后，得到各组数据对应的仿生流道模型出口处混合物的平均流量和出口处油的平均体积分数。3.根据权利要求2所述的优化设计方法，其特征在于，步骤3.1)中，仿生流道结构为一中心对称三维模型，所述3D虚拟模型为通过取步骤S2中得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚辉，苏永强，葛赛，王建廷，符刘强，封彦鹏，杨乾，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41