CN107657086A - 一种轴流泵多工况智能设计与优化方法 - Google Patents

一种轴流泵多工况智能设计与优化方法 Download PDF

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陆荣
袁建平
张霞
王勇
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Abstract

本发明公开了一种轴流泵多工况智能设计与优化方法：利用旋转机械三维设计软件CFturbo对轴流泵进行参数化设计，并在其脚本文件中写入待优化参数；采用泵阀专业仿真软件PumpLinx对轴流泵进行数值计算；利用Isight软件将上述软件集成，自动完成数据交换，实现轴流泵“设计——仿真”的智能优化。本发明可应用于轴流泵优化设计，可以缩短轴流泵研发周期，节约成本，提高轴流泵的设计效率。

Description

一种轴流泵多工况智能设计与优化方法
技术领域
本发明涉及一种轴流泵多工况的集成优化方法和智能优化平台，特指基于Isight软件，集成旋转机械三维设计软件CFturbo和泵阀专业仿真软件PumpLinx，提出了一种优化速度快、高效区宽的轴流泵多工况只能设计与优化方法。
背景技术
轴流泵作为一种大流量、低扬程泵产品，在洪涝排水、农田灌溉、跨流域调水、喷水推进和大型水利工程等方面获得广泛的应用。我国对轴流泵水力模型的研制起步较晚，当时主要仿制前苏联水力模型，虽然研制了一批性能优良的水力模型，且总结出了如升力法、流线法等水力设计方法，但与目前国外的轴流泵技术相比，我国在三维流动理论研究轴流泵水力模型设计、水力安全稳定性、各部件精确匹配优化等方面还存在差距。因此，我国研制的轴流泵模型普遍存在效率偏低、高效区窄等问题，且目前的常规设计方法不够成熟，导致研发周期较长。
近年来，随着南水北调和泵站更新改造等工程的兴起，低扬程、高比转速的轴流泵需求量越来越大，研制效率高、高效区宽的轴流泵水力模型显得非常迫切。为了降低设计周期与成本，提高产品的性能，本发明提出了一种基于Isight软件的轴流泵多工况智能设计与优化方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种轴流泵多工况智能设计与优化方法，以大大缩减优化周期，节省人力和成本，拓宽轴流泵的高效区。
为了解决以上技术问题，本发明利用Isight软件将旋转机械三维设计软件CFturbo和泵阀专业仿真软件PumpLinx进行集成优化，该方法运用Isight软件的商用软件集成功能，采用批处理命令将CFturbo软件和PumpLinx软件集成，通过XML语言编制的脚本文件控制软件的执行和相关参数的修改，以多个工况的效率最高为目标，再由Isight软件的优化模块实现自动循环和优化，并最终取得优化解。具体技术方案如下：
一种轴流泵多工况智能设计与优化方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，根据现有设计参数，利用旋转机械三维设计软件即CFturbo软件设计一个轴流泵的原始模型，包括进口段、叶轮、导叶和出口段，完成后导出记录设计过程和几何参数的脚本文件，作为优化的输入文件；
步骤二，将CFturbo软件中设计完成的轴流泵的流体域导入泵阀专业仿真软件即PumpLinx软件中完成前处理设置和数值计算，并导出PumpLinx软件的计算结果文件作为输出文件；
步骤三，将输入和输出文件加载到Isight软件中，利用自带的集成组件将CFturbo软件和PunpLinx软件进行集成，自动完成数据交换，然后编写批处理命令并加载到Isight软件中，最后设置优化组件，完成轴流泵智能优化平台的搭建。
所述步骤一包括以下过程：
过程1.1，借助CFturbo软件设计进口段、叶轮、导叶和出口段的子午面流道，分别给定四个部分的轮缘、轮毂直径及流道长度，并通过改变控制点的轴向坐标Z来改变叶片在子午面中的形状；
过程1.2，将叶轮和导叶流道划分出五个等距的圆柱流面，采用中弧线设计模式设计翼型，将各圆柱流面上翼型中弧线平滑连接成中弧面；通过正交厚度分布生成叶片实体；
过程1.3，设计叶片平面投影图，以叶片旋转轴为中心建立极坐标系，给定各圆柱流面上翼型中弧线前缘的角度坐标和包角，确定叶片进出口边的在平面投影图上的几何形状，为了更好的控制叶片形状，进口边设置于同一角度线上，包角从轮毂到轮缘按线性规律变化；
过程1.4，在CFturbo软件中将设计好的原始模型切分出流体域，并以.STL格式导出；
过程1.5，导出CFturbo软件中记录设计过程和几何参数的脚本文件，其后缀名为.BATCH；
所述叶片包括叶轮叶片和导叶叶片。
所述步骤二包括以下过程：
过程2.1，将原始模型的流体域导入PumpLinx软件中进行前处理设置并执行计算，将记录并执行轴流泵前处理和数值计算的脚本文件以记事本格式导出并修改后缀名为.spro，并且在优化过程中保持轴流泵的计算条件不变；
过程2.2，将记录PumpLinx软件计算结果的文件以记事本格式导出，作为优化的输出文件。
所述步骤三包括以下过程：
过程3.1，在Isight软件中将CFturbo软件的脚本文件写入并定义优化变量，同时读取输出文件中相应的目标值；
过程3.2，在记事本中分别写入CFturbo软件和PumpLinx软件的批处理命令，其书写格式为：
"软件安装目录\软件名称"-脚本文件名称
将文件后缀名改为.bat，并加载到Isight软件中；
过程3.3，设置轴流泵多工况优化数学模型：
求X∈R使得
式中：X为待优化变量的集合，R为变量的范围，F为轴流泵在多个工况下的加权平均效率，η为效率，Hd为设计扬程，ωi为第i个工况点的权重值，i为工况点的代号；
过程3.4，设置并运行优化算法，驱动CFturbo软件与PumpLinx软件反复地进行设计与数值计算，直至优化完成，得到优化后轴流泵的三维模型。
本发明具有有益效果。本发明通过将轴流泵多工况智能设计与优化方法应用于轴流泵的开发当中，能有效的缩短轴流泵的研发周期，降低轴流泵优化设计对于人力的依靠，提高产品设计研发的效率和质量。
附图说明
图1为本发明软件集成流程图；
图2为本发明轴流泵叶轮和导叶子午面轮廓；
图3为本发明轴流泵叶片翼型设计示意图；
图4为本发明轴流泵叶片进口边位置及包角设计图；
图5为本发明多岛遗传算法结构图；
图6为本发明优化方案迭代过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明的技术方案做进一步的说明
结合图1的优化流程对一名义比转速为1500的轴流泵实施多工况优化：
(1)利用CFturbo软件对所述轴流泵进行原始模型设计，首先设计进口段、叶轮、导叶和出口段的子午面流道，分别给定四个部分的轮缘、轮毂直径及流道长度，并将叶轮和导叶流道划分出五个等距的圆柱流面，通过改变图中圆形标记的轴向坐标Z来改变叶片在子午面中的形状，所述叶片包括叶轮叶片和导叶叶片。其中第一个下标为圆柱流面编号，第二个下标分别表示叶轮和导叶的进出口。如图2所示。
(2)采用中弧线设计模式设计翼型，将各圆柱流面上中弧线平滑连接成中弧面。通过正交厚度分布生成叶片实体，所述叶片包括叶轮叶片和导叶叶片，如图3所示。
(3)设计叶片平面投影图，以叶片旋转轴为中心建立极坐标系，给定各圆柱流面翼型中弧线前缘的角度坐标和包角，确定叶片进出口边的在平面投影图上的几何形状，为了更好的控制叶片形状，进口边设置于同一角度线上，包角从轮毂到轮缘按线性规律变化，所述叶片包括叶轮叶片和导叶叶片，如图4所示。
(4)从CFturbo软件中导出记录其设计过程的脚本文件并命名为Axial.BATCH，并将轴流泵流体域以.STL格式导入PumpLinx软件中。
(5)在PumpLinx软件中对流体域进行前处理设置并执行数值计算，将记录PumpLinx软件计算结果的文件已记事本格式导出并命名为integrals.txt，作为优化的输出文件。
(6)在Isight软件中将Axial.BATCH脚本文件写入并定义优化变量，同时读取输出文件integrals.txt中的效率和扬程的值。
(7)在记事本中分别写入CFturbo软件和PumpLinx软件的批处理命令：
"C:\ProgramFiles\CFturbo10\CFturbo.exe"-batchAxial.BATCH
"D:\ProgramFiles\Simerics\PumpLinx.exe"-run(0.8-1.2)Q.spro
将文件后缀名改为.bat，并加载到Isight软件中。
(8)在Isight软件中选择多岛遗传算法进行寻优求解，其结构如图5所示。
(9)由于优化变量较多，设置子群个数、岛的个数和遗传代数均为10，优化方案的个数设置为子群个数*岛的个数*遗传代数＝1000，为避免搜索阻滞，将交叉率设置为0.9，迁移率和变异概率均设为0.01。
(10)所述轴流泵模型对应的优化变量、目标函数和约束条件如下：设计变量X为轴流泵优化变量的集合，结合图2至图4，选取叶轮和导叶的多个关键参数作为优化变量，包括叶片子午面形状，5个圆柱流面翼型的进出口角、前缘位置、包角和厚度分布，共36个变量，给定其取值区间，将Axial.BATCH脚本文件中优化变量写入并定义范围，如表1所示。
表1优化变量及范围
表中下表n为圆柱流面编号
(11)目标函数为：
式中，F(X)为优化的目标函数：加权平均效率，X的取值来源于优化变量的取值范围，η为效率，下标i＝1，2，3分别表示0.8Qd，1.0Qd，1.2Qd三个流量工况点，Qd为设计点流量，ω为权重值。
(12)约束条件
3.0m≤Hd≤3.2m
式中，Hd为轴流泵设计扬程
(13)图6示出了优化地迭代过程，从图6可以看出优化开始后的很长一段时间内目标值的波动很大，很多方案不满足约束条件。当迭代至500步后，目标的波动逐渐减小，在第926次迭代时出现了最优方案。
(14)表2为优化前后性能对比
表2优化前后性能对比
由上表可见，利用本发明所述的优化设计方法得到的轴流泵在给定三个流量工况点的加权平均效率提高3.47％，且扬程控制在3.02m，满足设计要求。
本发明基于Isight软件集成旋转机械三维设计软件CFturbo和泵阀专业仿真软件PumpLinx，实现自动循环仿真和优化，并最终取得全局优化解，大大缩短了优化周期，提高了模型泵的效率，拓宽了模型泵高效区，为轴流泵的多工况优化设计提供了快速便捷的方法。

Claims (4)

1.一种轴流泵多工况智能设计与优化方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，根据现有设计参数，利用旋转机械三维设计软件即CFturbo软件设计一个轴流泵的原始模型，包括进口段、叶轮、导叶和出口段，完成后导出记录设计过程和几何参数的脚本文件，作为优化的输入文件；
步骤二，将CFturbo软件中设计完成的轴流泵的流体域导入泵阀专业仿真软件即PumpLinx软件中完成前处理设置和数值计算，并导出PumpLinx软件的计算结果文件作为输出文件；
步骤三，将输入和输出文件加载到Isight软件中，利用自带的集成组件将CFturbo软件和PunpLinx软件进行集成，自动完成数据交换，然后编写批处理命令并加载到Isight软件中，最后设置优化组件，完成轴流泵智能优化平台的搭建。
2.根据要求1所述的一种轴流泵多工况智能设计与优化方法，其特征在于所述步骤一包括以下过程：
过程1.1，借助CFturbo软件设计进口段、叶轮、导叶和出口段的子午面流道，分别给定四个部分的轮缘、轮毂直径及流道长度，并通过改变控制点的轴向坐标Z来改变叶片在子午面中的形状；
过程1.2，将叶轮和导叶流道划分出五个等距的圆柱流面，采用中弧线设计模式设计翼型，将各圆柱流面上翼型中弧线平滑连接成中弧面；通过正交厚度分布生成叶片实体；
过程1.3，设计叶片平面投影图，以叶片旋转轴为中心建立极坐标系，给定各圆柱流面上翼型中弧线前缘的角度坐标和包角，确定叶片进出口边的在平面投影图上的几何形状，为了更好的控制叶片形状，进口边设置于同一角度线上，包角从轮毂到轮缘按线性规律变化；
过程1.4，在CFturbo软件中将设计好的原始模型切分出流体域，并以.STL格式导出；
过程1.5，导出CFturbo软件中记录设计过程和几何参数的脚本文件，其后缀名为.BATCH；
所述叶片包括叶轮叶片和导叶叶片。
3.根据要求1所述的一种轴流泵多工况智能设计与优化方法，其特征在于所述步骤二包括以下过程：
过程2.1，将原始模型的流体域导入PumpLinx软件中进行前处理设置并执行计算，将记录并执行轴流泵前处理和数值计算的脚本文件以记事本格式导出并修改后缀名为.spro，并且在优化过程中保持轴流泵的计算条件不变；
过程2.2，将记录PumpLinx软件计算结果的文件以记事本格式导出，作为优化的输出文件。
4.根据要求1所述的一种轴流泵多工况智能设计与优化方法，其特征在于所述步骤三包括以下过程：
过程3.1，在Isight软件中将CFturbo软件的脚本文件写入并定义优化变量，同时读取输出文件中相应的目标值；
过程3.2，在记事本中分别写入CFturbo软件和PumpLinx软件的批处理命令，其书写格式为：
"软件安装目录\软件名称"-脚本文件名称
将文件后缀名改为.bat，并加载到Isight软件中；
过程3.3，设置轴流泵多工况优化数学模型：
求X∈R使得
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>F</mi> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn> </munderover> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn> </munderover> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>3.0</mn> <mi>m</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mn>3.2</mn> <mi>m</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
式中：X为待优化变量的集合，R为变量的范围，F为轴流泵在多个工况下的加权平均效率，η为效率，Hd为设计扬程，ωi为第i个工况点的权重值，i为工况点的代号；
过程3.4，设置并运行优化算法，驱动CFturbo软件与PumpLinx软件反复地进行设计与数值计算，直至优化完成，得到优化后轴流泵的三维模型。
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