CN109214074B - 一种基于isight软件的虹吸式整流器优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法，首先，建立虹吸式整流器的内流道模型，确定内流道的优化设计变量；然后，确定内流道的优化设计目标函数，并确定所述内流道模型的约束条件；最后，基于ISIGHT软件设计内流道的优化设计流程，通过ISIGHT软件自身所集成的优化模块对目标函数进行迭代求解，获得使虹吸式整流器的内流道性能最优的设计参数；本发明能够准确获得性能最优的内流道结构设计方案，对提高虹吸式整流器的性能和效率有着较大的实用价值。

Description

一种基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法
技术领域
本发明涉及虹吸式整流器技术领域，尤其涉及一种基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法。
背景技术
随着现代工、农业的迅猛发展，对于高效低耗的输水方式的需求也越来越大。虹吸式输水作为管道引水的一种常见形式，与传统输水方式相比，其增大输水流量、提高配送高度、降低水头损失等优势使其越来越受到认可，并在实际工程中得以广泛运用。然而目前，国内外关于虹吸整流器的研究较少，对于流体整流器的优化方面的研究同样不多。21世纪初翁友彬提出潜水式虹吸整流装置，距今已近20年，由于在管路中增加整流器装置必定带来一定水头损失，将会影响输水系统的效率；同时，为了增加整流器的自吸特性，内流道采用射流结构，此结构在扩散段处容易形成涡与回流，影响整流器的性能进而影响输水系统的效率。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法，可以有效降低内流道的水头损失、增大内流道中整体压降，并以此改善整流器整体性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法，具体包括以下步骤：
步骤一，建立虹吸式整流器的内流道模型，确定内流道的优化设计变量；
步骤二，确定内流道的优化设计目标函数，并确定所述内流道模型的约束条件；
步骤三，基于ISIGHT软件设计内流道的优化设计流程，通过ISIGHT软件自身所集成的优化模块对目标函数进行迭代求解，获得使虹吸式整流器的内流道性能最优的设计参数。
优选地，所述步骤一中，所述内流道包括进水段、扩散段和出口段，
优选地，所述优化设计变量包括：进水段直径Din、进水段长度lin、扩散角度数a、管径比e，其中管径比e为进水段直径Din与出水段直径的比值。
优选地，所述步骤二中以内流道局部与沿程水头损失之和构建优化设计目标函数。
优选地，所述优化设计目标函数描述为：
Figure BDA0001778125500000011
Figure BDA0001778125500000021
K＝0.233394-0.03193a+0.00286a2-3.83998a5·10-5
其中：minf为局部与沿程水头损失之和，m；vin为进口流速，m/s；vD为扩散段流速，m/s；ξ为局部损失系数；g为重力加速度，kg/m3；Din代表进水段直径，m；K是a所确定的系数；a代表扩散段的角度，degree°；e为进水段直径Din与出水口直径的比值；
优选地，所述约束条件为：
流道扩散角大小10°＜a＜15°；
进水段直径0.012m＜Din＜0.020m；
进水段长度0.025m＜Lin＜0.040m；
0＜minf＜0.00155m。
优选地，所述步骤三具体包括：
St1.在ISIGHT软件中，通过DATE/EXCHANGE组件载入三维参数化建模文件，读入计算所需的优化参数；
St2.在ISIGHT软件中，在Optimization组件子循环内，建立Calculation组件用于优化过程中计算目标函数值；
St3.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的Variables选项，对优化参数进行初始化，并输入取值范围；
St4.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的Objection选项，设置目标函数的求解以最小值为优化目的；
St5.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的Constraints选项，设置目标函数的有效范围；
St6.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的General选项，选择优化算法进行迭代计算；
St7.在ISIGHT软件中，选择Run Component选项进行运行计算，计算结束后获得最优方案下的结构参数。
优选地，所述步骤St6中的优化算法为多岛遗传算法。
本发明的有益效果：
本发明考虑了内流道的参数对虹吸式整流器的影响，以降低内流道的水头损失为目标，通过ISIGHT软件进行优化求解，能够准确获得性能最优的内流道结构设计方案，对提高虹吸式整流器的性能和效率有着较大的实用价值。
附图说明
图1为本发明所述一种基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法的流程图；
图2为本发明所述的内流道的结构示意图；
图3为本发明实施例中优化前后出口处轴向速度分布对比；
图4为本发明实施例中优化前后扩散段的流线示意图对比，其中(a)图为优化前的流线示意图，(b)图为优化后的流线示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的一种基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法，具体包括以下步骤：
步骤一，建立原设计方案下的虹吸式整流器的内流道模型，确定内流道的优化设计变量；
具体为：如图2所示，内流道包括进水段、扩散段和出口段，在本实例中，原设计方案下的虹吸式整流器内流道结构参数为：内流道进水段直径Din＝17.4mm、Dout＝27.4mm、进水段的长度Lin＝36mm、出水段的长度Lout＝135mm、扩散角度数a＝12.5°，管径比e＝0.64，以上述参数构建内流道模型；
选择进水段直径Din、管径比e、进水段的长度lin、扩散角度数a为优化设计变量；利用ICEM、FLUENT对原设计方案的内流道模型进行计算，得到内流道模型扩散段处的流线分布以及出口处的轴向速度分布；
步骤二，确定内流道的优化设计目标函数，并确定所述内流道模型的约束条件；
目标函数是衡量设计方案优劣的标准，输水系统安装虹吸式整流器目的即对流体在进口处进行整流处理，使得流体在内流道中发展时能具有更好的流态，从而减少由于流态不稳定引起的回流的现象影响输水效率以及管路寿命；另一方面，当流体经过内流道时带来一定的水头损失，因此，虹吸式整流器的性能优劣大程度取决于内流道的设计，故选择内流道局部与沿程水头损失之和为目标函数，且得到的数值越小代表内流道的损失越小，即性能越好，优化设计目标函数描述为：
Figure BDA0001778125500000031
Figure BDA0001778125500000032
K＝0.233394-0.03193a+0.00286a2-3.83998a5·10-5
其中：minf为局部与沿程水头损失之和，m；vin为进口流速，m/s；vD为扩散段流速，m/s；ξ为局部损失系数；g为重力加速度，kg/m3；Din代表进水段直径，m；K是a所确定的系数；a代表扩散段的角度，degree°；e为进水段直径Din与出水口直径的比值；
将原设计方案下的虹吸式整流器内流道结构参数代入minf函数得到内流道的水头损失为0.00155m，故优化后的内流道模型得到的损失必须小于1.55mm，故约束目标函数值范围为0＜minf＜0.00155m；对步骤一中优化变量做单一变量模拟试验，结果表明：在流道扩散角角度大小为10°＜a＜15°；进水段直径为0.012m＜Din＜0.020m；进水段长度为0.025m＜Lin＜0.040m条件下，得到的内流道模型较为理想，并以此作为优化设计中的约束条件；
步骤三，基于ISIGHT软件设计内流道的优化设计流程，通过ISIGHT软件自身所集成的优化模块对目标函数进行迭代求解，获得使虹吸式整流器的内流道性能最优的设计参数，具体为：
St1.在ISIGHT软件中，通过DATE/EXCHANGE组件载入三维参数化建模文件，读入计算所需的优化参数；
ISIGHT可通过组件完成对其他软件的调用，本发明中利用DATE/EXCHANGE组件调用内流道三维建模命令文件，读入所需参数；
St2.在ISIGHT软件中，在Optimization组件子循环内，建立Calculation组件用于优化过程中计算目标函数值；
St3.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的Variables选项，对优化参数进行初始化，并输入取值范围；
在本步骤中，将优化参数范围上下界填入Upper Band与Lower Band中，所述各优化参数的取值范围由约束条件可以得到：流道扩散角角度大小10°＜a＜15°；进水段直径0.012m＜Din＜0.020m；进水段长度0.025m＜Lin＜0.040m；
St4.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的Objection选项，设置目标函数的求解以最小值为优化目的；
St5.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的Constraints选项，设置目标函数的有效范围；
由步骤二得到：约束目标函数值范围为0＜minf＜0.00155m；
St6.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的General选项，选择多岛遗传算法进行迭代计算；
St7.在ISIGHT软件中，选择Run Component选项进行运行计算，计算结束后获得最优方案下的结构参数；
得到最优方案，此时水头损失大小为0.1706mm，相比较原方案水头损失1.5mm降低了近10倍，通过ENSIGHT后处理软件验证优化结果。如图3和4所示，优化后，在扩散段处拥有更加稳定流态，回流现象明显减弱，同时增加了管路内的整体压降，有利于虹吸系统的自吸。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，建立虹吸式整流器的内流道模型，确定内流道的优化设计变量,所述优化设计变量包括：进水段直径Din、进水段长度lin、扩散角度数a、管径比e，其中管径比e为进水段直径Din与出水段直径的比值；
步骤二，以内流道局部与沿程水头损失之和构建优化设计目标函数，并确定所述内流道模型的约束条件；
其中，优化设计目标函数描述为：
Figure FDA0003963233340000011
Figure FDA0003963233340000012
K＝0.233394-0.03193a+0.00286a2-3.83998a5·10-5
其中：minf为局部与沿程水头损失之和，m；vin为进口流速，m/s；vD为扩散段流速，m/s；ξ为局部损失系数；g为重力加速度，kg/m3；Din代表进水段直径，m；K是a所确定的系数；a代表扩散段的角度，degree°；e为进水段直径Din与出水口直径的比值；
所述约束条件为：
流道扩散角大小10°＜a＜15°；
进水段直径0.012m＜Din＜0.020m；
进水段长度0.025m＜Lin＜0.040m；
0＜minf＜0.00155m；
步骤三，基于ISIGHT软件设计内流道的优化设计流程，通过ISIGHT软件自身所集成的优化模块对目标函数进行迭代求解，获得使虹吸式整流器的内流道性能最优的设计参数，具体如下：
St1.在ISIGHT软件中，通过DATE/EXCHANGE组件载入三维参数化建模文件，读入计算所需的优化参数；
St2.在ISIGHT软件中，在Optimization组件子循环内，建立Calculation组件用于优化过程中计算目标函数值；
St3.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的Variables选项，对优化参数进行初始化，并输入取值范围；
St4.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的Objection选项，设置目标函数的求解以最小值为优化目的；
St5.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的Constraints选项，设置目标函数的有效范围；
St6.在ISIGHT软件中，通过Optimization组件的General选项，选择优化算法进行迭代计算；
St7.在ISIGHT软件中，选择Run Component选项进行运行计算，计算结束后获得最优方案下的结构参数。
2.根据权利要求1所述的基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法，其特征在于，所述步骤一中，所述内流道包括进水段、扩散段和出口段。
3.根据权利要求1所述的基于ISIGHT软件的虹吸式整流器优化设计方法，其特征在于，所述步骤St6中的优化算法为多岛遗传算法。
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