一种航空离心泵叶型优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种航空离心泵叶型优化设计方法，在Matlab平台下分别采用五点四次bezier曲线和线性函数控制叶型圆周角分布和积叠变化规律，通过软件UG和Fluent的联合批处理方法对15组设计结果进行内流场数值仿真。在曲面插值获得计算空间边界条件的基础上，采用中心差分格式对双调和偏微分方程进行数值求解，建立超曲面性能代理模型。以效率最高为目标函数基于人工鱼群算法对设计变量进行全局寻优。结果表明：基于双调和方程的超曲面代理模型能够保证试验值与预测值完全一致，而优化后的离心叶轮流动中的尾迹效应被明显减弱，水力效率比原型泵提高5.4%。

An Optimum Design Method for Aircraft Centrifugal Pump Blade Profile

【技术实现步骤摘要】
一种航空离心泵叶型优化设计方法
本专利技术属于航空离心泵设计
，涉及一种航空离心泵叶型优化设计方法，具体地说，涉及一种利用基于双调和方程模型和混合人工鱼群算法进行航空离心泵叶型优化设计的方法。
技术介绍
燃油离心泵是航空发动机燃油系统中重要的动力部件，对叶轮型线的优化设计，能够在不变动主要尺寸的基础上提高离心泵的整体性能，具有非常重要的工程实用意义，国内外学者对此展开过大量研究。在型线参数化领域，李春等采用3次B样条曲线来设计离心泵叶轮前、后盖板轴面流线和流线展开线。殷明霞、刘群辉等基于Bezier理论，利用OpenGL作为图形图像的开发工具，开发出叶轮机二维叶型参数化设计软件。在优化代理模型的研究方面，赵伟国等利用人工神经网络的学习功能，建立效率目标函数与优化变量之间的映射关系，采用遗传算法对设计变量进行全局寻优。张人会等采用自由曲面变形方法实现叶型的参数化设计，采用共轭梯度方法对离心泵叶轮载荷进行优化改型研究。张宇等基于拉丁超立方抽样，构建Kriging代理模型对船用双吸离心泵叶轮进行优化设计。SHI等采用正交试验方法对深井泵叶轮进行优化设计研究。KIM将因子分析方法应用于叶轮设计，基于数据回归分析探讨优化参数对性能的影响，并耦合曲面响应方法和正交试验方法对混流泵进行优化研究。李嘉等采用采用多项式空间曲线拟合新型一体式叶轮型线，并通过优化型线控制方程系数，实现离心叶轮的性能优化。综上所述以往的研究中大多采用正交试验法、曲面响应法、神经网络方法和Kriging法等数据挖掘方法构建性能代理模型。由于多项式方程形式的限制，曲面响应法和正交试验方法的精度不高，当优化变量增多时，代理模型的灵敏度和准确性会变差。而神经网络和Kriging方法需要进行大量的样本学习，否则会在模型预测值与实际试验值之间产生较大的误差，降低模型的精度。如果对每一样本都进行流场计算，由于优化过程中CFD的计算量巨大，优化设计变量较多，会导致维数灾难降低优化效率。近年来基于偏微分方程的代理模型方法逐渐得到应用，其中偏微分双调和方程代理模型将样本学习结果作为边界控制条件，通过求解4阶双调和方程来构建变量空间上的超曲面，在较少的样本学习条件下，实现模型预测值与实际试验值的完全一致，保证了代理模型的精度。此外，由于离心泵叶轮流道形状的几何边界与流动性能之间关系复杂，以往的研究多采用的经典梯度方法和遗传算法对参数进行优化。然而，梯度算法通过获取目标函数的最速下降方向，能够实现较快的收敛，然而其最大弊病在于寻优结果依赖初值，不具有全局搜索能力。对于曲面响应法或正交试验法而言，优化变量有限且性能模型以多项式方程表达，梯度算法尚能满足需求。而对神经网络和Kriging模型等深度数据挖掘模型而言，则需要具备良好的全局优化能力。遗传算法通过将设计参数编码，子代交叉遗传、变异等方式，以种群进化手段，实现空间内的全局寻优。但是遗传算法在求解时编码复杂，迭代周期长，且全局搜索能力仅依赖变异概率，这限制了遗传算法在离心泵叶轮优化中的应用。因此，构建新型高效优化算法，提高优化过程中状态的转移能力，避免陷入局部最优解，是目前优化设计研究面临的另一个问题。与传统经典算法和其他启发式智能算法相比，人工鱼群算法通过模仿鱼群的运动，将状态的行为分为觅食、聚群、追尾和随机变化，多行为方式的组合能够有效避免陷入局部最优解，提高了算法的计算速度和全局收敛性，此外，人工鱼群算法不需要进行复杂的编码和转换过程，使程序编制得到简化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种航空离心泵叶型优化设计方法，在叶片型线几何参数化的基础上，采用双调和方程性能代理模型与人工鱼群算法相结合的方式，以提高效率为目标函数对航空离心泵叶轮进行优化改型设计，研究结果表明，经过优化后整泵的水力效率提高5.4％。本专利技术上述目的通过以下技术方案予以实现：一种航空离心泵叶型优化设计方法，包括以下步骤：步骤1、几何模型及型线参数化叶片中心面的积叠效应采用线性控制函数，其中表示轮缘流线起始圆周角度，表示轮毂流线起始圆周角度，Δα表示最大扭曲积叠角度，t表示积叠控制参数。步骤2、网格划分和数值模拟在离心泵内流仿真计算中，通常采用Blasius公式近似预估第一层网格点与壁面之间的距离，式中ywall表示第一层网格点与壁面之间的距离；Vref为参考速度；ν为流体的运动粘度；Lref为参考长度；y+表征近壁区黏性底层的无量纲量；步骤3、双调和方程代理模型的构建构建的双调和方程为，其中，η表示离心泵的水力效率。一般情况下选择在空间立方体内对上式进行数值求解，有第一类边界条件为，第二类边界条件为，对于式(3)在计算域中采用中心差分离散方式，建立25节点差分格式，利用逐点超松弛方法对该高维度方程进行求解，迭代表达式为，式中n表示迭代次数，i,j,k分别表示网格节点编号，由于式(3)属于4阶偏微分方程的边值问题，因而计算内部节点i,j,k∈[3,Nmax-2]，Nmax表示单方向上最大网格节点数，选择为100。而对于边界节点的值则有第二类边界条件求得，偏微分方程超曲面代理模型的计算流程具体为：1)在设计空间边界处分别选取15组参数进行数值模拟仿真，得到对应的效率值；2)采用非均匀B样条曲面建立设计空间边界处的插值曲面；3)将设计空间进行三维结构网格划分，各个变量节点数都设定为100，如上式(7)所示，在6个边界面处计算对应的函数值和边界导矢量值；4)如式(6)所示，采用25点中心差分格式和逐点超松弛方法计算对应节点处的效率离散方程；5)反复迭代计算直到全局各个点坐标处的效率值相对偏差小于0.001时停止，此时就通过双调和方程的求解，建立起设计空间内设计变量与效率之间的代理函数关系；步骤3、采用人工鱼群算法对三参数进行优化觅食行为就是趋向食物的活动，假设人工鱼i当前的优化参数状态为Xi，在其感知范围内随机选择一个状态Xj，Xj＝Xi+v·R(8)式中，v为感知范围，R为介于0和1之间的随机数向量。Xi和Xj在本问题中为三维列向量，分别表示x1,x2,x3三个优化设计参数。将Xj代入代理模型中，如果计算的参数ηj大于ηi，则人工鱼向该方向前进一步，式中，n表示迭代次数，s表示迭代步长。反之，再重新计算随机选择Xj，判断是否满足前进条件，反复尝试ttry次，仍不满足条件则随机移动一步，聚群行为是指人工鱼为了保证群体的生存，会自然而然的聚集成群。设人工鱼探索当前邻域内的伙伴数量nf，中心位置Xc及对应的目标函数值ηc，给定的拥挤系数δ。如果ηc/nf＞δηi，表明伙伴中心有较多的食物且不太拥挤，则朝伙伴的中心位置方向前进一步，反之则执行觅食行为，追尾行为是指人工鱼向邻近最高适应度的伙伴追逐的行为，设人工鱼探索当前邻域内的伙伴中最高适应度ηj为最大值的伙伴Xj，如果ηj/nf＞δηi，表明Xj的状态具有较多的食物并且其周围不太拥挤，则朝着Xj的方向前进一步，否则执行觅食行为，在人工鱼群算法中距离函数是数据挖掘衡量接近程度的关键度量，目前主要有Minkowski距离函数、Camberra距离函数、Mahalanobis距离函数、Bhattacharyya距离函数。在中采用的距离函数为Minkowski距离函数，式中D表示距离度量，xi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空离心泵叶型优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：包括以下步骤：步骤1、几何模型及型线参数化叶片中心面的积叠效应采用线性控制函数，

【技术特征摘要】
2019.02.26 CN 20191014328231.一种航空离心泵叶型优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：包括以下步骤：步骤1、几何模型及型线参数化叶片中心面的积叠效应采用线性控制函数，其中表示轮缘流线起始圆周角度，表示轮毂流线起始圆周角度，Δα表示最大扭曲积叠角度，t表示积叠控制参数；步骤2、网格划分和数值模拟在离心泵内流仿真计算中，通常采用Blasius公式近似预估第一层网格点与壁面之间的距离，式中ywall表示第一层网格点与壁面之间的距离；Vref为参考速度；ν为流体的运动粘度；Lref为参考长度；y+表征近壁区黏性底层的无量纲量；步骤3、双调和方程代理模型的构建构建的双调和方程为，其中，η表示离心泵的水力效率；选择在空间立方体内对上式进行数值求解，有第一类边界条件为，第二类边界条件为，对于式(3)在计算域中采用中心差分离散方式，建立25节点差分格式，利用逐点超松弛方法对该高维度方程进行求解，迭代表达式为，式中n表示迭代次数，i,j,k分别表示网格节点编号，由于式(3)属于4阶偏微分方程的边值问题，因而计算内部节点i,j,k∈[3,Nmax-2]，Nmax表示单方向上最大网格节点数，选择为100；而对于边界节点的值则有第二类边界条件求得，偏微分方程超曲面代理模型的计算流程如下：1)在设计空间边界处分别选取15组参数进行数值模拟仿真，得到对应的效率值；2)采用非均匀B样条曲面建立设计空间边界处的插值曲面；3)将设计空间进行三维结构网格划分，各个变量节点数都设定为100，如上式(7)所示，在6个边界面处计算对应的函数值和边界导矢量值；4)如式(6)所示，采用25点中心差分格式和逐点超松弛方法计算对应节点处的效率离散方程；5)反复迭代计算直到全局各个点坐标处的效率值相对偏差小于0.001时停止，此时就通过双调和方程的求解，建立起设计空间内设计变量与效率之间的代理函数关系；步骤3、采用人工鱼群算法对三参数进行优化觅食行为就是趋向食物的活动，假设人工鱼i当前的优化参数状态为Xi，在其感知范围内随机选择一个状态Xj，Xj＝Xi+v·R(8)式中，v为感知范围，R为介于0和1之间的随机数向量；Xi和Xj在本问题中为三维列向量，分别表示x1,x2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘显为，肖红亮，朱嘉兴，李华聪，符江锋，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61