多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法、装置及设备制造方法及图纸

本申请公开了一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法、装置及设备，涉及膨胀机设计技术领域，其中方法包括：首先根据逆向拟合求解的设计参数，对多级轴流膨胀机进行正向建模，得到目标模型；然后为网格划分后的流体区域模型和固体区域模型定义相应的边界条件，并利用CFD模块，对流体区域模型进行计算，以及利用包含强度、动态特性等的多学科计算模块，对固体区域模型进行多学科计算；最后根据CFD计算结果和多学科计算结果的多个目标函数，使用遗传算法对多级轴流膨胀机中的两级叶栅进行多目标优化，得到叶片正弯反弯耦合规则及叶型沿叶高分布的优化信息。本申请可有效进行多级轴流膨胀机的多学科优化设计。轴流膨胀机的多学科优化设计。轴流膨胀机的多学科优化设计。

【技术实现步骤摘要】
多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法、装置及设备


[0001]本申请涉及膨胀机设计
，特别是涉及一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法、装置及设备。

技术介绍

[0002]膨胀机是朗肯循环的核心动力部件，国内外研究人员进行了长期深入的探索和研究。轴流膨胀机应用广泛，适用的工作介质类型、压力、温度、转速、功率、叶片级数等设计参数各不相同。
[0003]目前，大功率多级轴流膨胀机的多学科优化设计，尚处于空白，无法有效进行多级轴流膨胀机的多学科优化设计，进而使得多级轴流膨胀机得不到很好的优化，从而可能会增加装置运行成本、无法做到良好的节能减排作用。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请提供了一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法、装置及设备，主要目的在于解决目前现有技术中无法有效进行多级轴流膨胀机的多学科优化设计，进而使得多级轴流膨胀机得不到多学科优化的技术问题。
[0005]依据本申请一个方面，提供了一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法，该方法包括：
[0006]根据逆向拟合求解的设计参数，对多级轴流膨胀机进行正向建模，得到目标模型；
[0007]对所述目标模型内的流体区域模型和固体区域模型分别进行网格划分；
[0008]为网格划分后的所述流体区域模型和所述固体区域模型定义相应的边界条件，并利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模块，对所述流体区域模型进行计算，以及利用包含强度、动态特性的多学科计算模块，对所述固体区域模型进行多学科计算；
[0009]根据CFD计算结果和多学科计算结果的多个目标函数，使用遗传算法对所述多级轴流膨胀机中的两级叶栅进行多目标优化，得到叶片正弯反弯耦合规则及叶型沿叶高分布的优化信息。
[0010]依据本申请另一个方面，提供了一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计装置，该装置包括：
[0011]建模单元，用于根据逆向拟合求解的设计参数，对多级轴流膨胀机进行正向建模，得到目标模型；
[0012]网格划分单元，用于对所述目标模型内的流体区域模型和固体区域模型分别进行网格划分；
[0013]计算单元，用于为网格划分后的所述流体区域模型和所述固体区域模型定义相应的边界条件，并利用计算流体力学CFD模块，对所述流体区域模型进行计算，以及利用包含强度、动态特性的多学科计算模块，对所述固体区域模型进行多学科计算；
[0014]优化处理单元，用于根据CFD计算结果和多学科计算结果的多个目标函数，使用遗传算法对所述多级轴流膨胀机中的两级叶栅进行多目标优化，得到叶片正弯反弯耦合规则及叶型沿叶高分布的优化信息。
[0015]依据本申请又一个方面，提供了一种存储设备，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法。
[0016]依据本申请再一个方面，提供了一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计设备，包括存储设备、处理器及存储在存储设备上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法。
[0017]借由上述技术方案，本申请提供的一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法、装置及设备，与目前现有技术中无法有效进行多级轴流膨胀机的多学科优化设计相比，本申请可根据逆向拟合求解的设计参数，对多级轴流膨胀机进行正向建模，得到目标模型；再对目标模型内的流体区域模型和固体区域模型分别进行网格划分，以及设置边界条件等；然后利用CFD模块和包含强度、动态特性等的多学科计算模块进行多学科计算；最后可根据CFD计算结果和多学科计算结果的多个目标函数，使用遗传算法对多级轴流膨胀机中的两级叶栅进行多目标优化，得到叶片正弯反弯耦合规则及叶型沿叶高分布的优化信息。进而可有效进行多级轴流膨胀机的多学科优化设计，使得多级轴流膨胀机能够得到很好的优化，不但能提高机组效率及稳定性，而且能减小装置的运行成本，符合节能减排的相关要求。
[0018]上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
[0019]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0020]图1示出了本申请实施例提供的一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法流程示意图；
[0021]图2示出了本申请实施例提供的叶片轴向弦长厚度分布的实例示意图；
[0022]图3示出了本申请实施例提供的叶片轴向弦长角度分布的实例示意图；
[0023]图4示出了本申请实施例提供的流体区域抽取的实例示意图；
[0024]图5示出了本申请实施例提供的流体区域网格划分的实例示意图；
[0025]图6示出了本申请实施例提供的固体区域网格划分的实例示意图；
[0026]图7示出了本申请实施例提供的模型边界条件设置的实例示意图；
[0027]图8示出了本申请实施例提供的为叶片加载压力场和温度场的实例示意图；
[0028]图9示出了本申请实施例提供的MOGA算法的流程示意图；
[0029]图10示出了本申请实施例提供的一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计装置的结构示意图。
具体实施方式
[0030]下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0031]为了解决目前现有技术中无法有效进行多级轴流膨胀机的多学科优化设计，进而使得多级轴流膨胀机得不到多学科优化的技术问题。本实施例提供了一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法，如图1所示，该方法包括：
[0032]101、根据逆向拟合求解的设计参数，对多级轴流膨胀机进行正向建模，得到目标模型。
[0033]本实施例根据逆向拟合求解的设计参数，进行正向建模，能够准确得到更加标准的多级轴流膨胀机目标模型，以便在此模型基础上进行多学科优化设计时，保证优化设计的效果。
[0034]102、对目标模型内的流体区域模型和固体区域模型分别进行网格划分。
[0035]在正向建模后，对得到的目标模型进行流体、固体区域抽取，然后对抽取得到的流体、固体区域进行网格划分。
[0036]103、为网格划分后的流体区域模型和固体区域模型定义相应的边界条件，并利用CFD模块，对流体区域模型进行计算，以及利用包含强度、动态特性的多学科计算模块，对固体区域模型进行多学科计算。
[0037]在本实施例中，多学科计算模块除了包含强度计算、动态特性计算以外，还可包含其他多种学科的计算等，具体可根据实际计算需求而定。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级轴流膨胀机的多学科优化设计方法，其特征在于，包括：根据逆向拟合求解的设计参数，对多级轴流膨胀机进行正向建模，得到目标模型；对所述目标模型内的流体区域模型和固体区域模型分别进行网格划分；为网格划分后的所述流体区域模型和所述固体区域模型定义相应的边界条件，并利用计算流体力学CFD模块，对所述流体区域模型进行计算，以及利用包含强度、动态特性的多学科计算模块，对所述固体区域模型进行多学科计算；根据CFD计算结果和多学科计算结果的多个目标函数，使用遗传算法对所述多级轴流膨胀机中的两级叶栅进行多目标优化，得到叶片正弯反弯耦合规则及叶型沿叶高分布的优化信息。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述多级轴流膨胀机的叶片为折转角小于预设角度阈值、且叶片厚度变化小于预设变化阈值的亚音速涡轮叶片，则所述根据逆向拟合求解的设计参数，对多级轴流膨胀机进行正向建模，得到目标模型，具体包括：利用参数化建模模块，导入所述多级轴流膨胀机的三维模型；在所述三维模型中绘制流道区域，设置流线截面数量，选取叶片body进行识别拟合，拟合后参数化方式为中弧线沿弦长的角度和厚度分布曲线；根据拟合信息设置多阶贝塞尔曲线，以便通过多阶贝塞尔曲线控制点的变化，实现叶片的正向建模及变形；将控制点变量作为设计参数，添加到预设参数池中。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述多级轴流膨胀机的叶片为折转角大于预置角度阈值、且叶片厚度变化大于预置变化阈值的涡轮叶片，则所述根据逆向拟合求解的设计参数，对多级轴流膨胀机进行正向建模，得到目标模型，具体包括：基于十一参数法，并单独定义压力面、吸力面进行所述多级轴流膨胀机叶片的正向建模；将压力面、吸力面曲线控制点变量作为独立的设计参数，添加到预设参数池中。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述对所述目标模型内的流体区域模型和固体区域模型分别进行网格划分，具体包括：对所述目标模型内的流体区域模型进行抽取，输出划分网格需要的数据格式；在优化叶栅时，读取所述流体区域模型进行网格划分，根据CFD将要选用的湍流模型选取对应的Y+或估算第一层网格尺寸，B2B面采用H-O-H网格拓扑，叶顶间隙采用蝶形网格，近壁面网格作加密处理，最大延展比1.3，以使得所述流体区域模型的计算域网格最大长宽比小于1000，正交度15
°
～165
°
，且不出现负网格；以目标数量进行网格自动划分，或者绘制多套网格后期进行网格无关性验证，验证通过后确定所述流体区域模型网格划分完成；在优化机壳时，读取所述流体区域模型进行结构化、非结构化网格的划分，使用与叶栅相同的网格质量判定，与叶片网格相同的Y+或第一层网格厚度，选取求解器，平均网格质量不超过0.8；对所述目标模型内的固体区域模型进行体积抽取，对将要在CFD中进行定义的边界进行分组和命名；读取所述固体区域模型进行网格划分，设置全局尺寸，对于倒角、倒圆、开孔进行局部加密，设定网格划分类型，使得平均网格质量不超过0.8。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为网格划分后的所述流体区域模型定义相应的边界条件，并利用CFD模块，对所述流体区域模型进行计算，具体包括：采用有限体积法，离散求解三维定常可压缩的雷诺时均N-S方程，其中湍流模型使用两方程的SST模型，其主流区采用k-ε模型，近壁区用ω方程代替ε方程，并使用混合函数将k-ε和k-ω两种模型整合，气体介质设置为R245fa，比热容通过温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国欣，闻苏平，任霁筇，刘凤祺，
申请(专利权)人：沈阳鼓风机集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：