一种基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法，包括以下步骤：计算设备当前结构影响下的精细流动状态；对设备内流域精细流动状态进行量化模型构建；通过拟态构建流态的基因突变；开展流态的杂交；开展设备内流域所建立的不同流态的综合性能比较与寻优完成流态的自然选择；进行拟态方法与流态综合性能比较及寻优方法的动态调整；通过寻优选择的精细流态反向构建特征结构形成新型结构；开展流态与结构的优化确认。本发明专利技术通过流态模拟、寻优及结构反向构建等技术，进行复杂结构设备内部差异化构型与非均匀化布置等相关设计与优化。关设计与优化。关设计与优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法


[0001]本专利技术涉及流动与结构设计及优化
，特别是涉及一种基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法。

技术介绍

[0002]内部特征结构复杂的设备的结构设计与优化对性能水平的提升易达到瓶颈，一方面因为三维可视化技术与精细化计算分析技术水平有限，人们对设备内的三维精细流动速度、压力、温度分布状态的认知较低，所以传统经典结构的有效性、适用性存在优化空间；另一方面设备性能水平受设备内复杂三维高时空分辨率流速、压力等参量的影响，基于经典结构进行优化的设备结构设计与优化技术很难确定最佳的结构型式。
[0003]目前复杂结构设备的研发与优化涉及主要技术瓶颈与挑战包括：结构设计受长年延承发展出的经典方案束缚；设备内复杂特征结构的影响存在强相互作用，关系复杂，工程中往往简化考虑，设备内众多特征结构均采用相同形状与尺寸进行造型；革新优化或设计缺少方向，缺少更优结构构型的有效方案与技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法，通过流态模拟、寻优及结构反向构建等技术，进行复杂结构设备内部差异化构型与非均匀化布置等相关设计与优化。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法，包括如下步骤：
[0007]S1，计算设备当前结构影响下的精细流动状态；
[0008]S2，对设备内流域精细流动状态进行量化模型构建；
[0009]S3，通过拟态构建流态的基因突变；
[0010]S4，开展流态的杂交；
[0011]S5，开展设备内流域所建立的不同流态的综合性能比较与寻优完成流态的自然选择；
[0012]S6，进行拟态方法与流态综合性能比较及寻优方法的动态调整；
[0013]S7，通过寻优选择的精细流态反向构建特征结构形成新型结构；
[0014]S8，开展流态与结构的优化确认。
[0015]进一步的，所述步骤S1中，计算设备当前结构影响下的精细流动状态，具体包括：
[0016]采用计算流体动力学计算分析技术，计算出设备当前结构几何与布置、边界条件、初始条件影响下的精细流动状态，获得不同流量大小、功率大小下设备当前各特征结构对特征域精细空间位置下的流速、压力、温度等重要参量的数值与分布，建立数据库，其中特征域为特征结构所在流域。
[0017]进一步的，所述步骤S2中，对设备内流域精细流动状态进行量化模型构建，具体包
括：
[0018]对步骤S1中数据库中重要参量的精细计算数据，采用机器学习技术，训练学习复杂流动大样本数据，建立量化关系，如公式1所示，以此预测流动与传热边界条件变更时特征域中的精细流态：
[0019][0020]式中，x，y，z表示三维空间坐标；f
n
表示任一重要参量与特征结构形状、尺寸、布置条件，及边界条件、初始条件的量化关系。
[0021]进一步的，所述步骤S3中，通过拟态构建流态的基因突变，具体包括：
[0022]利用步骤S2建立的量化关系确定当前流量与边界条件下特征域的精细流场，在此基础上，进行流体速度、压力重要参量、旋涡旋转角度流动状态的修改，模拟构造特征域新型精细流态，该过程简称为：拟态；
[0023]其中，采用公式(2)通过三维方向x、y、z上的比例系数函数f
n_x
、f
n_y
、f
n_z
改变流场重要参量在三个方向上的分量在三个方向上的分量的数值：
[0024][0025]通过公式(2)模拟构造设备内流域中1个特征域新型流态，或同时模拟构造多个特征域新型流态，不同特征域的流域范围大小、形状尺寸均可不同；
[0026]所形成的每个新型流态相当于一个动量源，为周围流体的动量输运提供动力与阻力，这样通过拟态，实现对设备内流域建立出一个或多个动量源。
[0027]进一步的，所述步骤S4中，开展流态的杂交，具体包括：
[0028]针对设备内部不同空间位置特征域精细流态拟态后的单动量源或多动量源影响下的设备内流域流场进行数值迭代求解，即对设备内流域中除特征域之外的流场进行数值迭代求解，构建除特征域之外的设备内流域的新型精细流态；
[0029]设备内流域包括多个动量源，形成流态的基因突变组合，即形成流态的杂交。
[0030]进一步的，所述步骤S5中，开展设备内流域所建立的不同流态的综合性能比较与寻优完成流态的自然选择，具体包括：
[0031]1)针对设备内流域的精细化全流域或大流域，选择影响设备性能的流动阻力压降、流量分布均匀性、极值温度、温度分布均匀性等多个重要参量ψ
i
作为流态筛选寻优的指标；
[0032]2)在设备内划分一系列点、线、面、体作为重要参量数据取样区域；
[0033]3)计算重要参量的一维、二维或三维的空间加权积分值，如式(3)所示：
[0034][0035]式中，为加权积分平均值，作为第j个流态筛选寻优指标ζ
j
的取值，另外式中α
i
分别对应一维线段、二维面控制体、三维体控制体中的第i个对象单元的线段长度、面积大小、
体积大小；
[0036]4)进行参量加权积分计算，量化分析设备内流域不同拟态组合中重要参量的综合性量化评分值，支持设备内部精细流态的筛选寻优，确定对设备具有高适用性的精细流态。
[0037]进一步的，所述步骤S6中，进行拟态方法与流态综合性能比较及寻优方法的动态调整，具体包括：
[0038]1)进行拟态比例系数函数的动态调解，对拟态比例系数函数乘以一比例系数函数修正系数，实现放大或缩小比例系数函数取值的目的，并记录流态综合寻优中筛选到优化流态所用的时间，以效率为目标，不断调整比例系数函数修正系数的取值，找到满足使用者流态优化效率的比例系数函数修正系数的取值；
[0039]2)分析流态进化的效率，同时计算流态进化的数目与拟态次数的比值，分析流态进化的成功概率，对综合性能比较与寻优方法中各类空间权值、参量权值进行动态调整，直到满足使用者对流态优化效率与流态进化成功概率的要求。
[0040]进一步的，所述步骤S7中，通过寻优选择的精细流态反向构建特征结构形成新型结构，具体包括：
[0041]1)针对设备内流域流态寻优所确定的进化后的新型流态，采用步骤S2通过机器学习所确定的量化关系，反向构建与高适用流态相对应的几何结构的形状、尺寸、布置方式，对设备内特征结构的形式、尺寸进行高空间分辨率、差异化、高适用设计与布置；
[0042]2)对新型设备特征结构开展精细化计算流体动力学分析，比较所得计算结果与寻优后进化的新型流态的差别，并根据结果，继续调整结构形状、尺寸与布置方式，直到计算结果与寻优后进化的新型流态的差别满足使用者的要求，即相对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，计算设备当前结构影响下的精细流动状态；S2，对设备内流域精细流动状态进行量化模型构建；S3，通过拟态构建流态的基因突变；S4，开展流态的杂交；S5，开展设备内流域所建立的不同流态的综合性能比较与寻优完成流态的自然选择；S6，进行拟态方法与流态综合性能比较及寻优方法的动态调整；S7，通过寻优选择的精细流态反向构建特征结构形成新型结构；S8，开展流态与结构的优化确认。2.根据权利要求1所述的基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，计算设备当前结构影响下的精细流动状态，具体包括：采用流体动力学计算分析技术，计算出设备当前结构几何与布置、边界条件、初始条件影响下的精细流动状态，获得不同流量大小、功率大小下设备当前各特征结构对特征域精细空间位置下的重要参量的数值与分布，建立数据库，其中特征域为特征结构所在流域，所述重要参量包括流速、压力、温度。3.根据权利要求2所述的基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，对设备内流域精细流动状态进行量化模型构建，具体包括：对步骤S1中数据库中重要参量的精细计算数据，采用机器学习方法，训练学习复杂流动大样本数据，建立量化关系，如公式(1)所示，以此预测流动与传热边界条件变更时特征域中的精细流态：式中，x，y，z表示三维空间坐标；f
n
表示任一重要参量与特征结构形状、尺寸、布置条件，及边界条件、初始条件的量化关系。4.根据权利要求3所述的基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过拟态构建流态的基因突变，具体包括：利用步骤S2建立的量化关系确定当前流量与边界条件下特征域的精细流场，在此基础上，进行流体速度、压力重要参量、旋涡旋转角度流动状态的修改，模拟构造特征域新型精细流态，该过程简称为：拟态；其中，采用公式(2)通过三维方向x、y、z上的比例系数函数f
n_x
、f
n_y
、f
n_z
改变流场重要参量在三个方向上的分量在三个方向上的分量的数值，如下：通过公式(2)模拟构造设备内流域中1个特征域新型流态，或同时模拟构造多个特征域新型流态，不同特征域的流域范围大小、形状尺寸均可不同；所形成的每个新型流态相当于一个动量源，为周围流体的动量输运提供动力与阻力，通过拟态，实现对设备内流域建立出一个或多个动量源。
5.根据权利要求4所述的基于流动拟态与寻优及结构反向构建的设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，开展流态的杂交，具体包括：针对设备内部不同空间位置特征域精细流态拟态后的单动量源或多动量源影响下的设备内流域流场进行数值迭代求解，即对设备内流域中除特征域之外的流场进行数值迭代求解，构建除特征域之外的设备内流域的新型精细流态；设备内流域包括多个动量源，形成流态的基因突变组合，即形成流态的杂交。6.根据权利要求5所述的基于流...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈广亮，李磊，钱浩，陈晓晴，李筠，李源潮，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：