CN105718665A - 一种泵装置出水流道的自动优化方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种泵装置出水流道的自动优化设计方法，属于泵站工程技术领域，采用非支配解排序遗传算法对出水流道进行优化求解，建立出水流道形体的三维数学参数化模块、出水流道的三维湍流数值求解模块、目标函数求解及集成模块，本发明原理清晰，与现有技术相比，采用泵装置出水流道的自动优化方法可降低泵站设计人员的工作量，加快工程项目的预研进度，节约泵站方案比较的时间周期，达到加快泵站工程建设的目的。本发明在考虑了导叶出口剩余环量的基础上对出水流道进行了自动优化，故所得结果更接近于出水流道的实际情况。

Description

一种泵装置出水流道的自动优化方法及其应用

技术领域

本发明属于泵站工程技术领域，涉及一种泵装置出水流道的自动优化设计方法，特别是对于低扬程块基型泵站。

背景技术

泵站是重要的水利基础设施，在大范围内的农田和区域抗旱、防洪排涝、城镇供水，污水排放和跨流域调水等方面均起着关键的作用。泵站出水流道的设计优化将得到越来越多的重视，2015年中央一号文件《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》中提到了灌排泵站为农业服务的重要性，水环境的综合治理以及城市防洪标准体系提高。

出水流道是连接水泵导叶体出口与出水池的过流通道，具有长度短、断面形状变化较大的特点，目前，泵站出水流道的设计方法常采用一维水力设计方法，其假定出水流道断面平均流速等于设计流量除以断面面积，以沿流道断面中心线的各断面平均流速光滑变化为目标。通过一维水力设计获得流道的断面图，再进行三维建模与数值计算分析，并人工修改不合理的流道型线，直至获得满意结果，这种方法从数学角度看仅能算作多方案比选，不能称之为优化，这种常规的优化方法需耗费大量的时间且工作量大。常规的出水流道设计及优化均未考虑导叶体出口剩余环量的影响，优化结果与泵站实际情况偏差较大。

发明内容

本发明针对上述实际工程泵装置出水流道优化过程中存在的不足，提供一种泵装置出水流道的自动优化方法，并结合应用案例，主要解决2个方面的问题：1.泵装置出水流道优化时，需考虑导叶体出口剩余环量的问题；2.无需人工参与出水流道型线的修改。

本发明的技术方案是：一种泵装置出水流道的自动优化设计方法，其特征在于：采用非支配解排序遗传算法对出水流道进行优化求解，建立出水流道形体的三维数学参数化模块、出水流道的三维湍流数值求解模块、目标函数求解及集成模块，所述出水流道形体三维数学参数化模块包括：三维形体控制参数、形体三维自动造型和输出计算区域模型三部分；所述出水流道的三维湍流数值求解模块包括：读取模型网格剖分、自动设置边界条件、求解输出结果文件和自动输出相应数据文件四部分；所述目标函数求解仅为求解目标函数的程序。

一种泵装置出水流道的自动优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)依据出水流道的三维几何形状特征，给出数学表达式，并确定出若干控制参数，并将其作为优化参数；出水流道自动优化的约束条件：出水流道三维形体的关键控制参数，并给出优化范围；约束条件的选取与流道的三维形体建模有一定的关系，流道的三维形体建模将非关键控制尺寸与关键控制尺寸进行关联，可确保非关键控制尺寸随关键尺寸的改变而改变；

(2)构建泵装置出水流道的形体三维数学参数化造型模块，基于VisualC++6.0编写了自动读取三维造型控制尺寸的输入文件LD.exp，并按输入文件的数据进行三维实体造型(LD.prt文件)、输出三维造型数据文件LD.x_t文件的相应程序，流道的三维造型模块的自动更新需要用VisualC++6.0编写相应的程序文件ugupdate.exe。为了让程序能嵌入Isight优化平台中，需编写批处理文件ug_xt.bat，语句为：“路径\UGS\NX6.0\UGⅡ\ugupdate.exe”LD.prtLD.exp”路径\UGS\UGS\UX6.0\UGⅡ\LD.x_t”；

(3)泵装置出水流道优化问题是反复迭代的，优化软件iSIGHT使用了非插入方法，驱动CAD设计工具，且可驱动CAD设计工具组织内部开发的代码，其代码采用MicrosoftVisualC++或VisualFortran脚本编写。在集成到iSIGHT进行工程设计时，需将网格剖分软件ICEMCFD，CFD商用软件ANSYSCFX-Pre前处理软件、ANSYSCFX-Slove求解器及ANSYSCFX-Post这4种功能不同的软件集成到Isight优化平台中，为实现4部分程序能够集成于优化软件中，编写了4个软件的批处理文件；

流道三维湍流数值计算模块中4个软件的各部分输入、启动及输出文件。icemug.bat批处理文件通过读取LD.x_t文件，实现在ICEMCFD中的三维造型，并对其进行网格剖分，同时输出LD.cfx5文件。cfxpre.bat批处理文件通过读取LD.cfx5文件，对流道进行边界条件及求解方法的设置，并输出求解文件LD.def。cfxsolve.bat批处理文件通过读取文件LD.def，进行流道内三维湍流流场的数值求解并输出LD.res文件，cfxpost.bat批处理文件通过读取LD.res结果文件，对流道输出相应目标函数求解的原始数据文件，文件后缀名为csv；

(4)对ANSYSCFX-Post后处理软件生成的结果文件，采用Matlab语言程序对结果文件的数据进行处理，并输出目标函数文件jg.txt文件，在求解计算过程中，还需用删除中间生成的多余文件的批处理文件del.bat，del.bat批处理文件的语句表述为：del“路径\UGS\NX6.0\UGⅡ\LD_001.res”“路径\UGS\NX6.0\UGⅡ\LD_001.out”；

(5)本发明的优化方法采用非支配解排序遗传算法，该算法无需人为设置各目标的权重及比例系数，多目标优化算法会自动给出所有权重组合下的最优方法；

(6)出水流道自动优化目标函数为水力损失△h和动能恢复系数δ，约束条件为出水流道的各关键控制尺寸。出水流道的目标函数计算式为

Max：

$\mathrm{\δ}=\frac{{\stackrel{\‾}{v}}_{inc}^2/2g({\mathrm{\Δh}}_c+{\stackrel{\‾}{v}}_{outc}^2/2g)}{{\stackrel{\‾}{v}}_{inc}^2/2g}$

Min：

$\mathrm{\Δ}h=\frac{E_{inc}-E_{outc}}{\mathrm{\ρ}g}$

式中：E_inc、E_outc分别为出水流道进口和出口断面的总压，Pa。

本发明的有益效果为：本发明提出的一种泵装置出水流道的自动优化设计方法及其应用，原理清晰，与现有技术相比，采用泵装置出水流道的自动优化方法可降低泵站设计人员的工作量，加快工程项目的预研进度，节约泵站方案比较的时间周期，达到加快泵站工程建设的目的。本发明在考虑了导叶出口剩余环量的基础上对出水流道进行了自动优化，故所得结果更接近于出水流道的实际情况。

附图说明

图1为本发明泵装置出水流道的自动优化方法的流程图。

图2为本发明中出水流道的几何参数。

图3为本发明泵装置出水流道的自动优化平台。

图4为本发明中优化前后出水流道控制参数及三视图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细阐述，一种泵装置出水流道的自动优化方法流程图如图1所示。以轴伸贯流泵装置出水流道为例，采用步骤(1)对轴伸贯流泵装置出水流道进行三维数学参数化模型，数学表达式如下：出水流道进口断面直径Dj，Dj值与导叶体出口断面直径相等；出水流道出口断面的尺寸高度Hc及宽度Bc，出水流道中心轴线长度L，以此来计算出水流道当量扩散角θd，确定泵装置的设计流量Qi时则

st.v_c≤1.5m/s

${\mathrm{\θ}}_d=arctan\frac{\sqrt{H_c{B}_c}/\mathrm{\π}-0.5D_j}{L}$

则出水流道中心轴线长度L为：

st.9°≤θ≤12°

出水流道的弯管段为圆形断面扩散至椭圆形断面，直扩段为椭圆断面扩散至矩形断面，出水流道的相应几何参数如图2所示。弯管段的相应尺寸为：出口断面宽为Bc，高为Hc，进口断面的直径为Dj，该尺寸取决于导叶体出口断面的直径。出水流道结构形状较为复杂，将其分为两部分再用数学模型对其进行描述。

弯管段的上缘型线y_1w＝f₁(x)、下缘型线y_2w＝f₂(x)、流道宽度变化规律B＝B(x)、椭圆的短半轴变化规律即为流道的高度变化规律H＝H(x)，长半轴变化规律即为流道宽度变化规律B＝B(x)。上、下缘型线较为复杂，采用五次多项式函数表示，其余均采用四次多项式函数表示。

弯管段上缘型线变化规律：y_1w＝f₁(x)＝a₁+b₁x+c₁x²+d₁x³+e₁x⁴+f₁x⁵

弯管段下缘型线变化规律：y_2w＝f₂(x)＝a₂+b₂x+c₂x²+d₂x³+e₂x⁴+f₂x⁵

弯管段短轴变化规律(出水流道的高度变化规律)：

H＝H(x)＝a₃+b₃x+c₃x²+d₃x³+e₃x⁴+f₃x⁵

弯管段长轴变化规律(出水流道的宽度变化规律)：

B＝B(x)＝a₄+b₄x+c₄x²+d₄x³+e₄x⁴+f₄x⁵

直扩段的上缘型线y_1z＝f₃(x)、下缘型线y_2z＝f₄(x)、流道宽度变化规律为B＝B(x)，高度变化规律为H＝H(x)，直管段内各断面中定义到圆弧长半轴变化规律为L_b＝z(x)，短半轴变化规律为L_a＝y(x)，各变化规律函数均可采用四次多项式表示。

直扩段的上缘型线变化规律：y_1z＝f₃(x)＝a₅+b₅x+c₅x²+d₅x³+e₅x⁴

直扩段的下缘型线变化规律：y_2z＝f₄(x)＝a₆+b₆x+c₆x²+d₆x³+e₆x⁴

直扩段的断面长半轴变化规律：L_b＝z(x)＝a₇+b₇x+c₇x²+d₇x³+e₇x⁴

直扩段的断面短半轴变化规律：L_a＝y(x)＝a₈+b₈x+c₈x²+d₈x³+e₈x⁴

对出水流道，先假定直扩段的中心轴线长度为Lz，则弯管段的中心轴线长度为L-Lz，直扩段的上倾角j1、下倾角j2为：

$j_1=arctan\frac{f_3\left(L\right)-f_3(L-L_z)}{L_z};j_2=arctan\frac{f_4\left(L\right)-f_4(L-L_z)}{L_z}$

上述数学表达式均需满足各自端点的几何边界条件：

对弯管段的上缘型线y_1w＝f₁(x)，则

f₁(0)＝D_j；f₁(L-L_z)＝B_c-2f₃(L)+f₃(L-L_z)；f₁(L-L_z)＝f₃(L-L_z)

对弯管段的下缘型线y_2w＝f₂(x)，则：f₂(0)＝0；f₂(L-L_z)＝f₄(L-L_z)

对直扩段的上、下缘型线y_1z＝f₃(x)，y_2z＝f₄(x)，则：f₃(L)＝f₄(L)+H_c

对出水流道的宽度变化规律B＝B(x)，则B(0)＝D_j；B(L)＝B_C

对出水流道的宽度变化规律H＝H(x)，则

H(0)＝D_j＝f₁(0)-f₂(0)；H(L)＝H_c＝f₃(L)-f₄(L)

H(L-L_z)＝f₁(L-L_z)-f₂(L-L_z)＝f₃(L-L_z)-f₄(L-L_z)

对直扩段的短半轴变化规律L_a＝y(x)，则：H(L-L_Z)＝y(L-L_Z)；y(L)＝0

对直扩段的长半轴变化规律L_b＝z(x)，则：z(L)＝B(L)＝B_C

给定弯管段内某断面A_i-A_i上中心点坐标为x_i，上缘点x_i1，获得该断面的几何尺寸：椭圆长轴B(x_i)，短轴H(x_i)，上缘点f₁(x_i)，下缘点f₁(0.5x_i1+0.5x_i)，由此可将该椭圆断面做出。

给定直扩段内某断面A_k-A_k上中心点坐标为x_k，上缘点x_k1，可依据式4-22至4-25获得该断面的几何尺寸：宽度B(x_k)，高度H(x_k)，长半轴z(x_k)，短半轴y(x_k)，Y轴方向(宽度方向)的线段B(x_k)-2z(x_k)，Z轴方向(高度方向)的线段H(x_k)-2y(x_k)，上缘点f₃(x_k1)，下缘点f₄(0.5x_k1+0.5x_k)。

基于步骤(1)基础上构建的出水流道三维形体数学表达式，确定出弯管段的长度lengthw和弯管段的出口椭圆断面中心至泵轴线长度lengthz为优化参数，给出两优化参数的约束条件，650≤lengthw≤780，365≤lengthz≤400。采用步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)及步骤(5)的方法构建出水流道的自动优化平台，如图3所示。采用步骤(5)选择非支配解排序遗传算法进行优化求解，根据步骤(6)设置出水流道的优化目标函数，经求解计算后所得优化前后结果如图4所示。

Claims (2)

1.一种泵装置出水流道的自动优化设计方法，其特征在于：采用非支配解排序遗传算法对出水流道进行优化求解，建立出水流道形体的三维数学参数化模块、出水流道的三维湍流数值求解模块、目标函数求解及集成模块，所述出水流道形体三维数学参数化模块包括：三维形体控制参数、形体三维自动造型和输出计算区域模型三部分；所述出水流道的三维湍流数值求解模块包括：读取模型网格剖分、自动设置边界条件、求解输出结果文件和自动输出相应数据文件四部分；所述目标函数求解仅为求解目标函数的程序。

2.一种泵装置出水流道的自动优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)依据出水流道的三维几何形状特征，给出数学表达式，并确定出若干控制参数，并将其作为优化参数；出水流道自动优化的约束条件：出水流道三维形体的关键控制参数，并给出优化范围；约束条件的选取与流道的三维形体建模有一定的关系，流道的三维形体建模将非关键控制尺寸与关键控制尺寸进行关联，可确保非关键控制尺寸随关键尺寸的改变而改变；

(2)构建泵装置出水流道的形体三维数学参数化造型模块，基于VisualC++6.0编写了自动读取三维造型控制尺寸的输入文件LD.exp，并按输入文件的数据进行三维实体造型、输出三维造型数据文件LD.x_t文件的相应程序，流道的三维造型模块的自动更新需要用VisualC++6.0编写相应的程序文件ugupdate.exe。为了让程序能嵌入Isight优化平台中，需编写批处理文件ug_xt.bat，语句为：“路径\UGS\NX6.0\UGⅡ\ugupdate.exe”LD.prtLD.exp”路径\UGS\UGS\UX6.0\UGⅡ\LD.x_t”；

(3)泵装置出水流道优化问题是反复迭代的，优化软件iSIGHT使用了非插入方法，驱动CAD设计工具，且可驱动CAD设计工具组织内部开发的代码，其代码采用MicrosoftVisualC++或VisualFortran脚本编写。在集成到iSIGHT进行工程设计时，需将网格剖分软件ICEMCFD，CFD商用软件ANSYSCFX-Pre前处理软件、ANSYSCFX-Slove求解器及ANSYSCFX-Post这4种功能不同的软件集成到Isight优化平台中，为实现4部分程序能够集成于优化软件中，编写了4个软件的批处理文件；

流道三维湍流数值计算模块中4个软件的各部分输入、启动及输出文件。icemug.bat批处理文件通过读取LD.x_t文件，实现在ICEMCFD中的三维造型，并对其进行网格剖分，同时输出LD.cfx5文件。cfxpre.bat批处理文件通过读取LD.cfx5文件，对流道进行边界条件及求解方法的设置，并输出求解文件LD.def。cfxsolve.bat批处理文件通过读取文件LD.def，进行流道内三维湍流流场的数值求解并输出LD.res文件，cfxpost.bat批处理文件通过读取LD.res结果文件，对流道输出相应目标函数求解的原始数据文件，文件后缀名为csv；

(4)对ANSYSCFX-Post后处理软件生成的结果文件，采用Matlab语言程序对结果文件的数据进行处理，并输出目标函数文件jg.txt文件，在求解计算过程中，还需用删除中间生成的多余文件的批处理文件del.bat，del.bat批处理文件的语句表述为：del“路径\UGS\NX6.0\UGⅡ\LD_001.res”“路径\UGS\NX6.0\UGⅡ\LD_001.out”；

(5)本发明的优化方法采用非支配解排序遗传算法，该算法无需人为设置各目标的权重及比例系数，多目标优化算法会自动给出所有权重组合下的最优方法；

(6)出水流道自动优化目标函数为水力损失△h和动能恢复系数δ，约束条件为出水流道的各关键控制尺寸。出水流道的目标函数计算式为

Max：

$\mathrm{\δ}=\frac{{\stackrel{\‾}{v}}_{inc}^2/2g-({\mathrm{\Δh}}_c+{\stackrel{\‾}{v}}_{outc}^2/2g)}{{\stackrel{\‾}{v}}_{inc}^2/2g}$

Min：

$\mathrm{\Δ}h=\frac{E_{inc}-E_{outc}}{\mathrm{\ρ}g}$

式中：E_inc、E_outc分别为出水流道进口和出口断面的总压，Pa。