一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，包括考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究、两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析、两相低温液体膨胀机内复杂旋涡空化流动的特征化表述、以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建、以及旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解，该方法能够有效的提升两相低温液体膨胀机的性能及运行稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法
本专利技术属于低温空分和低温液化等
，涉及一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法。
技术介绍
低温液体膨胀机作为一种液力机械，和传统水力(或液力)机械类似，不可避免地发生空化现象。空化气泡的溃灭将产生极高的局部压强，对结构表面材料造成很大冲击，产生空化腐蚀破坏；还会诱导机组振动，威胁液体膨胀机、乃至低温系统的稳定运行。因此，对低温液体膨胀机旋涡空化流动的有效抑制意义重大。空化现象是指液体局部压力低于相应温度下饱和蒸气压，导致液体气化并引起微气泡的爆发性增长和溃灭的现象。空化现象广泛存在于水泵、水轮机等水力机械，以及低温空分和低温液化等领域。按其发生部位的不同，通常存在叶形空化、间隙空化、空腔空化和局部空化四种形式。通常空腔空化是指存在于常规水力机械(如水轮机尾水管)中由旋涡流动带来的空化，其强度高、占据空间大，多呈现出“辫束”状，直接影响着液力机械性能和机组可靠性，而此空化的诱因—旋涡流本质上源于叶轮的高速旋转。作为一种液力透平机械，低温液体膨胀机高速旋转的叶轮也会造成高强度的旋涡流并扩展至其下游扩压管，进而诱发叶轮出口处和扩压管内的空化。为抑制空化，针对常规液力机械的叶轮设计提出了一些优化设计方法。专利201110202524.5“一种抗空蚀离心泵叶轮优化设计方法”以NSGA-II遗传算法为优化工具，对离心泵叶轮参数进行多目标优化设计，提高了叶轮的效率和抗空化性能。专利201510679202.8“一种高抗空化离心叶轮水力设计方法”提供了一种高抗空化离心叶轮水力设计方法，采用改善叶片进口安放角、叶片厚度分布、叶轮进口直径和叶片进口宽度的方法，提高了离心泵抗空化性能。专利201510908837.0“一种抗空化轴流泵叶轮设计”公开了一种抗空化轴流泵叶轮设计方法，使得设计出的轴流泵叶轮可靠工作的同时，具备抗空化能力。与常规液力机械相比，在低温液力机械(如低温液体膨胀机)的旋涡空化更为复杂。对于常温水力机械来说，介质的热效应几乎可以忽略，即温度对空化的影响很小而忽略不计。但低温介质的显著热力学效应，使得低温空化对温度变化非常敏感，而且低温介质的相变潜热大，诸如此类的影响因素均不可忽略。本质上，低温液体膨胀机叶轮的高速旋转造成了其出口处高强度旋涡流，导致了局部低压和温升，直接诱发了空化。但此旋涡空化流与低温温度场高度耦合，显著增加了其控制难度。而两相低温液体膨胀机的空化更显著，其控制也更为复杂。两相液体(带气)膨胀机在低温空分、低温液化及其它工业流程及余能回收系统中有广阔应用前景。例如，US20120235415A1公布了使用两相膨胀机-发电机组的朗肯动力循环能量回收系统。但两相液体膨胀机的空化控制复杂，尚未得到有效地解决，制约了此技术的应用。既使US20120235415A1所公开的内容中涉及两相膨胀机，但并未提及两相膨胀机的抗空化问题。就两相液体膨胀机而言，其进口介质为液态，但通过膨胀机的降压膨胀，部分液体介质蒸发为气体，使得出口介质变为液中富含气的两相混合物。特别值得注意的是，两相膨胀机内液体介质的蒸发过程会伴随相当规模的空泡产生而诱发严重空化。如何控制两相液体膨胀机潜在的显著空化是亟需突破的关键技术问题。目前就国内外范围看，未发现有关两相液体膨胀机抗空化技术的公开报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，该方法能够有效的提升两相低温液体膨胀机的性能及运行稳定性。为达到上述目的，本专利技术所述的两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法包括考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究、两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析、两相低温液体膨胀机内复杂旋涡空化流动的特征化表述、以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建、以及旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解。考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究的具体过程为：采用Rayleigh-Plesset空化模型对两相低温液体膨胀机内部空化流动进行研究，其中，将Rayleigh-Plesset空化模型与液体膨胀机整机数值模型进行结合，以模拟两相低温液体膨胀机旋涡空化的数值。所述Rayleigh-Plesset空化模型包括将空化视为两相三组分系统的体积分数控制方程、基于各组分具有相同速度假设的混合相质量、动量及能量方程、以及用于预测气化率、空泡生成及破灭的Rayleigh-PlessetEquation。两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析的具体过程为：改变叶轮及诱导轮的几何状态参数以及叶轮与诱导轮的相位位置参数，开展考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究，确定两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动最为敏感的几何参数，其中，两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动最为敏感的几何参数包括叶轮最大周向弯曲角度θ0M、叶片叶顶角度叶片中间高度位置的角度诱导轮形状叶片参数、叶轮与出口诱导轮之间的周向相对位置Δα及周向相对距离Δz。以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建包括以下步骤：为保证两相低温液体膨胀机的效率和抗空化特性，构建的以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数为：其中，fave为新设计的两相低温液体膨胀机的面积平均气体体积百分数，fmax为新设计的两相低温液体膨胀机的最大气体体积百分数，eff为新设计的两相低温液体膨胀机的等熵效率；及分别为原始设计的两相低温液体膨胀机的最大气体体积百分数及平均气体体积百分数，C1、C2及C3为流场优化目标函数中三项的比重，C1、C2及C3的取值基于初始的流场模拟结果。旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解的具体过程为：1)利用设计实验DOE方法生产一组候选两相低温液体膨胀机设计样本点，再分别对各候选两相低温液体膨胀机设计样本点进行数值建模及CFD模拟，然后基于数值建模及CFD模拟的结果建立初始kriging代理模型，再将协同进化并行求优算法、CCEA及单步预期提升函数相结合建立勘探-开发相结合寻优循环，在该勘探-开发相结合寻优循环中，新设计的两相低温液体膨胀机样本点连续不断地由自适应采样技术遴选出来，并启动AutomaticCFDEvaluation进行流场计算及性能评估，以升级代理模型及寻找最优设计参数；其中，启动AutomaticCFDEvaluation进行流场计算及性能评估的具体操作为：设计参数矢量由Geometricparameterization模块转化并生成新的叶轮及诱导轮，再通过Automatictopologyfeature自动对新的叶轮及诱导轮进行网格划分，然后通过范本文件进行CFD模型、边界条件及物性的更新，最后进行两相低温液体膨胀机热流场的计算及性能的预测；2)待两相低温液体膨胀机热流场的计算收敛后，得两相低温液体膨胀机的压力、温度、旋转轴扭矩及气体体积百分数的参数分布，然后将压力、温度、旋转轴扭矩及气体体积百分数的参数分布代入目标函数表达式中，以计算目标函数；3)根据上述步骤进行迭代循环，直至满足预定的寻优搜索终止判据为止，得两相低温液体膨胀机的抗空化优化设计参数。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，其特征在于，包括考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究、两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析、两相低温液体膨胀机内复杂旋涡空化流动的特征化表述、以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建、以及旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解。

【技术特征摘要】
1.一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，其特征在于，包括考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究、两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析、两相低温液体膨胀机内复杂旋涡空化流动的特征化表述、以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建、以及旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解。2.根据权利要求1所述的两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，其特征在于，考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究的具体过程为：采用Rayleigh-Plesset空化模型对两相低温液体膨胀机内部空化流动进行研究，其中，将Rayleigh-Plesset空化模型与液体膨胀机整机数值模型进行结合，以模拟两相低温液体膨胀机旋涡空化流动。3.根据权利要求1所述的两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，其特征在于，所述Rayleigh-Plesset空化模型包括将空化视为两相三组分系统的体积分数控制方程、基于各组分具有相同速度假设的混合相质量、动量及能量方程、以及用于预测气化率、空泡生成及破灭的Rayleigh-PlessetEquation。4.根据权利要求1所述的两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，其特征在于，两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析的具体过程为：改变叶轮及诱导轮的几何状态参数以及叶轮与诱导轮的相位位置参数，开展考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究，确定两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动最为敏感的几何参数，其中，两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动最为敏感的几何参数包括叶轮最大周向弯曲角度θ0M、叶片叶顶角度叶片中间高度位置的角度诱导轮形状叶片参数、叶轮与出口诱导轮之间的周向相对位置Δα及周向相对距离Δz。5.根据权利要求1所述的两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，其特征在于，以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建包括以下步骤：为保证两相低温液体膨胀机的效率和抗空化特性，构建的以控制旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋鹏，孙金菊，霍长江，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61