CN113553675B - 一种喷射器优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种喷射器优化方法及装置，其特征在于，主要包括：建立喷射器动态分区耦合模型，确定喷射器综合性能指标的各区关键影响参数，根据不同工况下的定量关系对喷射器两级反演优化得到各区结构参数以及各区控制参数；继而，根据各区结构参数以及各区控制参数的耦合关系，对喷射器进行整体优化；随后，基于喷射式系统模型以及定量关联对系统进行整体优化；直到不同工况下喷射器都对应有系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，进而实现所有工况范围内结构和控制的全局优化。通过本发明的喷射器优化方法及装置，可以准确模拟喷射器内各区流动过程，明晰喷射器内多相流动相变机理，提高计算效率，实现喷射器结构和控制参数的全局优化。

Description

一种喷射器优化方法及装置

技术领域

本发明属于喷射器技术领域，具体涉及一种喷射器优化方法及装置。

背景技术

能源匮乏、大气污染和全球变暖是全世界越来越重视的问题，节能环保是国家重点支持产业之一。采用喷射器回收膨胀功是提高蒸气压缩制冷系统效率的有效措施之一。喷射器流动相变特性影响引射比和升压比，进而影响压缩喷射式系统制冷/热量和性能系数。研发高效可靠的喷射器，提高变工况控制准确性，对保障喷射式系统在所有工况下高效稳定运行具有重大价值和现实意义，是推动空调制冷热泵产业的节能环保进程、带动产业升级的重要举措。

目前，蒸气压缩喷射式系统中喷射器存在的瓶颈问题包括喷射器建模不精确、喷射器几何结构优化不足、变工况容量控制不准确或失效等。喷射器通常采用正向设计，先假设几何结构，然后根据工质流动过程确定各场分布，获得喷射器效率，如果引射比和升压比不满足要求，重新设定几何形状等，这种设计方法耗时长，且难以得到最优设计。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种优化效率高且优化过程简易的喷射器优化方法及装置，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种喷射器优化方法，用于对不同工况下的喷射器进行多尺度结构优化设计和实时优化控制，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，获取不同工况的工况参数以及流体的物性参数，根据工况参数以及物性参数确定喷射器内多相流动相变过程的动态分区；步骤S2，根据动态分区建立动态分区耦合模型；步骤S3，利用动态分区耦合模型确定影响喷射器综合性能指标的各区的关键影响参数；步骤S4，确定关键影响参数与关键影响参数对应的影响因素之间的定量关系；步骤S5，根据定量关系对喷射器进行两级反演优化得到各区结构参数以及各区控制参数；步骤S6，根据各区结构参数以及各区控制参数对喷射器进行喷射器整体优化，从而得到整体优化后几何结构以及整体优化后控制参数；步骤S7，确定喷射器的效率与所有工况、所有流体、整体优化后几何结构与整体优化后控制参数之间的定量关联；步骤S8，基于喷射式系统的非线性动态耦合模型以及定量关联进行系统整体优化，从而得到系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数；步骤S9，判断所有工况下的喷射器是否都具有对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，判断为否时重新进入步骤S1获取新的工况下的参数；步骤S10，在步骤S9判断为是时，输出不同工况下喷射器的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，建立不同工况范围内喷射器几何结构参数和控制参数的全局优化组合以及变工况实时动态优化策略，并在不同工况下利用对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数对喷射器进行选型与控制。

在本发明提供的一种喷射器优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S3的喷射器综合性能指标为动态优化评价指标，至少包括考虑随时空动态变化的各区关键性能参数、喷射器整体性能、喷射器所在系统的动态性能，各区的关键影响参数包括微观和宏观几何结构。

在本发明提供的一种喷射器优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S5包括如下子步骤：步骤S5-1，根据定量关系对喷射器内各区的几何结构进行反演优化设计从而得到各区结构反演优化参数，并根据定量关系对喷射器变工况时各区的容量调控参数进行反演辨识从而得到各区的区域控制参数；步骤S5-2，根据各区结构反演优化参数进行所有区的几何结构协同反演优化从而得到整体结构反演优化结果，根据所有区域控制参数进行协同反演优化从而得到整体控制参数反演优化结果；步骤S5-3，基于各区结构反演优化参数、整体结构反演优化结果、区域控制参数以及整体控制参数反演优化结果对喷射器的几何结构与控制参数进行不断反演优化，从而得到最终喷射器整体优化后的各区结构反演优化参数与区域控制参数，分别作为各区结构参数与各区控制参数。

在本发明提供的一种喷射器优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S5-1的反演优化与反演辨识过程中，优化目标函数为喷射器内各动态分区关键参数与对应的影响因素的定量关联式，动态分区关键参数至少包括主喷嘴出口各相流速分布、引射室进气量、混合室最小熵增、扩压室升压比、当地压力、流场结构、温度场、各相分布、相变位置、旋流位置以及强度，影响因素至少包括流体物性、进出口工况、工质纯度、几何结构、引射角以及树枝状旁通角，步骤S5-1的反演优化为喷射器各分区基于动态分区耦合模型的正向设计与逆向优化设计结合。

在本发明提供的一种喷射器优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，逆向优化设计为基于遗传算法结合全局伴随优化方法的非线性全局寻优反演方法，通过该非线性全局寻优反演方法辨识与优化喷射器内各区结构参数、壁面曲线、壁面沟槽、壁面微观结构以及壁面亲疏性。

在本发明提供的一种喷射器优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S5-2的协同反演优化过程中，优化目标函数为喷射器效率、有效引射比和升压比与对应的关键影响参数的定量关联式，有效引射比为引射的制冷剂质量流速与流体总质量流速的比值，关键影响参数至少包括工况、流体物性、喷射器几何结构、旋流强度、当地压力、速度、各相分布、涡结构以及工质纯度，步骤S5-2的协同反演优化为喷射器内各区几何结构协同优化反设计，通过伴随方法改进喷射器的内部几何结构。

在本发明提供的一种喷射器优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S7中定量关联为喷射器效率与流体物性、工况、几何结构以及整体优化后控制参数之间的定量关联，整体优化后控制参数包括主动流流量、主动与引射入口工质各相浓度、喷针位置、旋流位置以及强度，考虑相同瞬态工况下定常和非定常流动对喷射器效率的影响。

在本发明提供的一种喷射器优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S8的系统整体优化过程中，通过喷射器效率以及根据所有工况下喷射式系统性能与喷射器几何结构、旋流强度、工质纯度的关键影响参数建立的定量关联进行优化，喷射式系统性能至少包括COP、制热量以及制冷量，步骤S8的系统整体优化包括喷射器几何结构与喷射器所在的系统内相关部件的协同优化反设计，在系统总体优化条件下改进喷射器内部几何结构，步骤S8的系统整体优化包括喷射器控制参数与喷射器所在的系统内相关部件的控制参数的协同优化控制。

在本发明提供的一种喷射器优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，动态分区耦合模型为考虑流动和相变弛豫的非均相非平衡动态分区耦合时空四维三相数值模型，各分区模型为考虑壁面微结构影响的、且能够准确模拟不同工况下该区流动物理过程的数值模型。

本发明还提供了一种喷射器优化装置，用于对不同工况下的喷射器进行多尺度结构优化设计和实时优化控制，其特征在于，包括：工况以及流体物性获取与分区模块，获取不同工况的工况参数以及流体的物性参数，根据工况参数以及物性参数确定喷射器内多相流动相变过程的动态分区；模型建立模块，根据动态分区建立动态分区耦合模型；关键影响参数确定模块，利用动态分区耦合模型确定影响喷射器综合性能指标的各区的关键影响参数；定量关系确定模块，确定关键影响参数与关键影响参数对应的影响因素之间的定量关系；区域反演优化模块，根据定量关系对喷射器进行两级反演优化得到各区结构参数以及各区控制参数；整体优化模块，根据各区结构参数以及各区控制参数对喷射器进行喷射器整体优化，从而得到整体优化后几何结构以及整体优化后控制参数；定量关联确定模块，确定喷射器的效率与所有工况、流体、整体优化后几何结构与整体优化后控制参数之间的定量关联；系统优化模块，基于喷射式系统的非线性动态耦合模型以及定量关联进行系统整体优化，从而得到系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数；系统参数判断模块，判断所有工况下的喷射器是否都具有对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，判断为否时重新进入所述工况以及流体物性获取与分区模块获取新的工况下的参数；以及系统参数输出模块，在系统参数判断模块判断为是时，输出不同工况下喷射器的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，建立不同工况范围内喷射器几何结构参数和控制参数的全局优化组合以及变工况实时动态优化策略，并在不同工况下利用对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数对喷射器进行选型与控制。

发明作用与效果

根据本发明的一种喷射器优化方法及装置，由于动态分区耦合模型能够确定影响喷射器综合性能指标的各区的关键影响参数，基于该关键影响参数的基础进行喷射器优化，因此，相较于单一均相模型，动态分区耦合模型可以准确模拟喷射器内各区不同的流动过程，明晰喷射器内多相流动相变机理，并且第I级优化结果作为第II级优化的初始值，第II级优化结果作为第III级优化的初始值，进而提高计算效率。另外，由于先利用两级反演共同优化方法对设计与控制进行耦合优化，进而进行系统整体优化，因此，可以实现喷射器设计和控制耦合优化，从而建立喷射器内当地关键参数与其影响因素的定量关系，建立系统性能与喷射器内相变流动实时调控的定量关联，有助于实现在所有系统运行工况下喷射器结构和控制参数的全局优化。

附图说明

图1为本发明实施例的可调式喷射器的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种喷射器优化方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的一种喷射器优化方法及装置作具体阐述。

<实施例>

本实施例中提出了一种基于多尺度动态模型的喷射器内各区、喷射器整体及含喷射器的系统的三级优化方法和工具。

图1为本发明实施例的可调式喷射器的结构示意图，图1中1-6和A-E分别为壁面压力测点与温度测点。

其中，喷射器为喷射式系统中的CO2喷射器（如图1所示），与CO2喷射器对应的喷射器内流体为含润滑油CO2多相流。工况为喷射式系统所有运行工况，如跨临界、临界和亚临界全工况。

首先，本发明的喷射器优化方法可以通过如下技术方案来实现：

基于仿生学优化设计引射室和旁通管的空间位置及其与主动流混合角度；多尺度动态模型包括喷射器数值模型和系统级非线性动态模型，优化方法为反演优化设计方法和基于反演辨识的变工况实时优化控制方法。

其中，数值模型为能够准确模拟喷射器内多相流动相变的非均相非平衡动态分区耦合模型，具体为能够反映喷射器内流动相变过程的含润滑油CO2非均相非平衡动态分区耦合三相四维数值模型。

喷射式系统模型为非线性动态耦合模型。

优化设计和优化控制为三级反演共同优化，优化新指标为综合性能动态优化评价指标，第I级为喷射器内各动态分区关键参数，第II级为喷射器有效引射比、升压比和出口干度等，第III级为喷射式系统性能系数、输入功率、制热/冷量等。具体地：

第I级为喷射器各分区基于数值模型的正向设计和逆向优化设计结合，其中逆向方法为基于遗传算法结合全局伴随优化方法的非线性全局寻优反演方法，通过反演优化算法辨识和优化喷射器内各区结构最佳设计参数和壁面亲疏性等。

其中，反演优化中优化目标函数为喷射器内各动态分区关键参数与其影响因素的定量关联式，关键参数包括主喷嘴出口各相流速分布、引射室进气量、混合室最小熵增、扩压室升压比、当地压力、流场、各相浓度分布、相变位置、旋流位置和强度等，影响因素包括流体物性、进出口工况、几何结构、工质纯度、引射角、树枝状旁通角等。

求解喷射器全局最优的伴随方法为建立喷射器总体性能评价标准，基于伴随方法，求解目标函数有效引射比和升压比的灵敏度导数，反演求解各部件几何结构参数并根据非线性回归建立最优有效引射比/升压比与结构参数和控制参数之间的定量关系。伴随方程可通过耦合灵敏度控制方程和目标函数推导出来的。

通过基于伴随方法的反演优化设计算法，以喷射器和喷射式系统综合性能作为目标函数，反演求解关键当地参数最优值，然后根据非线性回归建立全局综合性能与结构参数和控制参数的定量关系。

基于遗传算法结合全局伴随优化方法为建立不同工况下喷射器各部件几何结构协同优化设计方法，建立喷射器变工况容量调控方法，包括通过喷针、主动喷嘴出口位置、主动流和引射流旋流强度和位置调控关键影响参数。

第II级为喷射器内各区几何结构协同优化反设计，在各区协同优化条件下应用伴随方法改进喷射器内部几何结构。

其中，第II级反演优化中优化目标函数为喷射器效率、有效引射比和升压比与其关键影响参数的定量关联式，其中有效引射比为引射的制冷剂质量流速与流体总质量流速的比值，关键影响参数包括但不限于工况、喷射器几何结构、旋流强度、当地压力、速度、各相分布、涡结构、工质纯度等。

第III级为喷射器几何结构与系统其他部件协同优化反设计，在系统总体优化条件下再次改进喷射器内部几何结构。第III级反演优化为通过喷射器效率、建立所有工况下喷射式系统性能与喷射器几何结构、旋流强度和工质纯度等关键影响参数的定量关联，喷射式系统性能包括COP、制热量和制冷量等。

变工况容量控制实时优化为三级反演优化控制，包括不同目标函数下根据实测数据反演优化喷射器内流动相变的控制参数：

第I级为根据喷针内毛细管压力探头测量当地静压、壁面压力温度测量值等反演辨识主动喷嘴出口各相流速分布、当地关键参数和壁面边界条件；通过调节喷针位置控制主喷嘴喉部面积、调节主喷嘴出口位置调控预混合室几何结构、调控混合室的长度和截面积、调控扩压室的长度和扩压角、调控旋流位置、强度和多旋流控制流场的方法、调控引射流旁通开关，实现预期的流场和压力场分布，进而实现几何结构与工况的匹配；

在进行I级优化过程中，基于伴随方法进行几何结构和控制优化的灵敏度分析，建立喷射器内各动态分区关键参数与其影响因素的定量关联，关键参数包括当地压力、流场结构和相变位置等，影响因素包括各区几何结构、可调针位置、主喷嘴出口位置、工质纯度（如润滑油含油率）、旋流位置、强度和多旋流的定量关系。

第II级为主动喷嘴内喷针位置和旋流、引射室旋流、引射流旁通开关等的协同优化方法。

在II级优化过程中，建立系统实际运行中所有工况条件下喷射器效率、有效引射比和升压比及其关键影响参数的定量关系，关键影响参数包括但不限于当地压力、速度和涡结构等。

第III级为喷射器优化控制与系统其他部件控制参数协同优化，以实现系统性能实时最优。

在第III级优化过程中，建立实际运行中所有工况条件下系统性能系数与喷射器结构参数和控制变量的定量关系，结构参数包括喷射器各部件几何结构，控制变量包括喷针位置和旋流强度等。

优化控制方法为考虑工质相变流动迟滞效应并基于反演辨识的自适应控制方法，包括建立调节针表面压力与喷射器效率、激波和壅塞的关联，实际运行中采用带压力探头的喷针获得当地压力和激波强度等，并进行实时优化控制。

优化方法为系统全局协同优化方法，优化设计和优化控制耦合优化，优化工具为建立所有工况下喷射器结构和控制优化参数库，建立喷射器几何结构（包括喷针位置）、含油率和旋流强度的最佳组合库；确定所有工况下结构参数和控制参数的全局优化策略，进而从中确定不同工况下的优化控制策略。

实际运行中，喷射器内采用带压力探头的喷针，建立喷射器效率、引射比和升压比与移动喷针上压力探头测量的压力的定量关系；根据喷射器内当地压力测量结果调控喷针位置，结合主动喷嘴出口位置、主动流和引射流的旋流位置、强度和多旋流的调节，使得在所有工况下喷射器效率、引射比、升压比、喷射式系统性能系数最优。

图2为本发明实施例的一种喷射器优化方法的流程图。

如图2所示，在上述技术方案的基础上，本实施例的一种喷射器优化方法的流程具体包括如下步骤S1至S10：

步骤S1，获取不同工况的工况参数以及流体的物性参数，根据工况参数以及物性参数确定喷射器内多相流动相变过程的动态分区。

步骤S2，根据动态分区建立动态分区耦合模型。

其中，动态分区耦合模型为考虑流动和相变弛豫的非均相非平衡动态分区耦合时空四维三相数值模型，各分区模型为考虑壁面微结构影响的、且能够准确模拟不同工况下该区流动物理过程的数值模型。

步骤S3，利用动态分区耦合模型确定影响喷射器综合性能指标的各区的关键影响参数。

其中，步骤S3的喷射器综合性能指标为动态优化评价指标，至少包括考虑随时空动态变化的各区关键性能参数、喷射器整体性能、喷射器所在系统的动态性能，各区的关键影响参数包括微观和宏观几何结构。

步骤S4，确定关键影响参数与关键影响参数对应的影响因素之间的定量关系。

步骤S5，根据定量关系对喷射器进行两级反演优化得到各区结构参数以及各区控制参数。

其中，步骤S5包括如下子步骤：

步骤S5-1，根据定量关系对喷射器内各区的几何结构进行反演优化设计从而得到各区结构反演优化参数，并根据定量关系对喷射器变工况时各区的容量调控参数进行反演辨识从而得到各区的区域控制参数。

其中，在步骤S5-1的反演优化与反演辨识过程中，优化目标函数为喷射器内各动态分区关键参数与对应的影响因素的定量关联式。

动态分区关键参数至少包括主喷嘴出口各相流速分布、引射室进气量、混合室最小熵增、扩压室升压比、当地压力、流场结构、温度场、各相分布、相变位置、旋流位置以及强度。

影响因素至少包括流体物性、进出口工况、工质纯度、几何结构、引射角以及树枝状旁通角。

步骤S5-1的反演优化为喷射器各分区基于动态分区耦合模型的正向设计与逆向优化设计结合。

逆向优化设计为基于遗传算法结合全局伴随优化方法的非线性全局寻优反演方法，通过该非线性全局寻优反演方法辨识与优化喷射器内各区结构参数、壁面曲线、壁面微观结构以及壁面亲疏性。

伴随优化方法为求解目标函数有效引射比和升压比的灵敏度导数，从而反演求解各部件几何结构参数并根据非线性回归建立最优有效引射比/升压比与结构参数和控制参数之间的定量关系。伴随方程可通过耦合灵敏度控制方程和目标函数推导出来的。

基于伴随方法的反演优化设计算法，以喷射器和喷射式系统综合性能作为目标函数，反演求解关键当地参数最优值，然后根据非线性回归建立全局综合性能与结构参数和控制参数的定量关系。

步骤S5-2，根据各区结构反演优化参数进行所有区的几何结构协同反演优化从而得到整体结构反演优化结果，根据所有区域控制参数进行协同反演优化从而得到整体控制参数反演优化结果。

其中，在步骤S5-2的协同反演优化过程中，优化目标函数为喷射器效率、有效引射比和升压比与对应的关键影响参数的定量关联式。

有效引射比为引射的制冷剂质量流速与流体总质量流速的比值。

关键影响参数至少包括工况、流体物性、喷射器几何结构、旋流强度、当地压力、速度、各相分布、涡结构以及工质纯度（例如润滑油含油率或杂质浓度），其中涡结构包括射流卷吸边界层内相干结构。

步骤S5-2的协同反演优化为喷射器内各区几何结构协同优化反设计，通过伴随方法改进喷射器的内部几何结构。

本实施例中，步骤S5-2中的控制参数包括主动喷嘴内喷针位置和旋流、引射室旋流、引射流旁通开关等。

步骤S5-3，基于各区结构反演优化参数、整体结构反演优化结果、区域控制参数以及整体控制参数反演优化结果对喷射器的几何结构与控制参数进行不断反演优化，从而得到最终喷射器整体优化后的各区结构反演优化参数与区域控制参数，分别作为各区结构参数与各区控制参数。

步骤S6，根据各区结构参数以及各区控制参数对喷射器进行喷射器整体优化，从而得到整体优化后几何结构以及整体优化后控制参数。

步骤S7，确定喷射器的效率与所有工况、流体、整体优化后几何结构与整体优化后控制参数之间的定量关联。

其中，在步骤S7中定量关联为喷射器效率与流体物性、工况、几何结构以及整体优化后控制参数之间的定量关联。

整体优化后控制参数包括主动流流量、主动与引射入口工质各相浓度、喷针位置、旋流位置以及强度，考虑相同瞬态工况下定常和非定常流动对喷射器效率的影响。

步骤S8，基于喷射式系统的非线性动态耦合模型以及定量关联进行系统整体优化，从而得到系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数。

其中，喷射式系统模型为非线性动态耦合模型。

在系统整体优化过程中，通过喷射器效率以及根据所有工况下喷射式系统性能与喷射器几何结构、旋流强度、工质纯度的关键影响参数建立的定量关联进行优化。

喷射式系统性能至少包括COP、制热量以及制冷量。

步骤S8的系统整体优化包括喷射器几何结构和控制参数与喷射器所在的系统内相关部件及其控制参数的协同优化反设计，在系统总体优化条件下改进喷射器内部几何结构和控制参数。

步骤S8的系统整体优化包括喷射器控制参数与喷射器所在的系统内相关部件的控制参数的协同优化控制。

步骤S9，判断所有工况下的喷射器是否都具有对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，判断为是时进入步骤S10，判断为否时重新进入步骤S1获取新的工况下的参数。

步骤S10，输出不同工况下喷射器的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，建立不同工况范围内喷射器几何结构参数和控制参数的全局优化组合以及变工况实时动态优化策略，并在不同工况下利用对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数对喷射器进行选型与控制。

本实施例中，上述喷射器优化方法也可以被配置成对应的计算机模块，即工况以及流体物性获取与分区模块、模型建立模块、关键影响参数确定模块、定量关系确定模块、区域反演优化模块、整体优化模块、定量关联确定模块、系统优化模块、系统参数判断模块以及系统参数输出模块，上述模块形成一种喷射器优化装置，用于对不同工况下的喷射器进行多尺度结构优化设计和实时优化控制，可应用于嵌入式设备。具体地：

工况以及流体物性获取与分区模块获取不同工况的工况参数以及流体的物性参数，根据工况参数以及物性参数确定喷射器内多相流动相变过程的动态分区。

模型建立模块根据动态分区建立动态分区耦合模型。

关键影响参数确定模块利用动态分区耦合模型确定影响喷射器综合性能指标的各区的关键影响参数。

定量关系确定模块确定关键影响参数与关键影响参数对应的影响因素之间的定量关系。

区域反演优化模块根据定量关系对喷射器进行两级反演优化得到各区结构参数以及各区控制参数。

整体优化模块根据各区结构参数以及各区控制参数对喷射器进行喷射器整体优化，从而得到整体优化后几何结构以及整体优化后控制参数。

定量关联确定模块确定喷射器的效率与所有工况、流体、整体优化后几何结构与整体优化后控制参数之间的定量关联。

系统优化模块基于喷射式系统的非线性动态耦合模型以及定量关联进行系统整体优化，从而得到系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数。

系统参数判断模块判断所有工况下的喷射器是否都具有对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，判断为否时重新进入所述工况以及流体物性获取与分区模块获取新的工况下的参数。

系统参数输出模块在系统参数判断模块判断为是时，输出不同工况下喷射器的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，建立不同工况范围内喷射器几何结构参数和控制参数的全局优化组合以及变工况实时动态优化策略，并在不同工况下利用对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数对喷射器进行选型与控制。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的一种喷射器优化方法及装置，由于动态分区耦合模型能够确定影响喷射器综合性能指标的各区的关键影响参数，基于该关键影响参数的基础进行喷射器优化，因此，相较于单一均相模型，动态分区耦合模型可以准确模拟喷射器内各区不同的流动过程，明晰喷射器内多相流动相变机理，并且第I级优化结果作为第II级优化的初始值，第II级优化结果作为第III级优化的初始值，进而提高计算效率。另外，由于先利用两级反演共同优化方法对设计与控制进行耦合优化，进而进行系统整体优化，因此，可以实现喷射器设计和控制耦合优化，从而建立喷射器内当地关键参数与其影响因素的定量关系，建立系统性能与喷射器内相变流动实时调控的定量关联，有助于实现在所有系统运行工况下喷射器结构和控制参数的全局优化。

在上述实施例中，由于动态分区耦合模型根据喷射器各部分流动产生机理和含油率不同分区建模，因此，有助于准确模拟喷射器内多相流动相变过程、提高计算效率。

在上述实施例中，由于各区几何结构参数是协同优化得到的，因此有助于设计工况下喷射器内部结构整体优化。

在上述实施例中，由于基于带压力探头的喷针获得当地压力和激波强度，并进行变工况容量控制（控制旋流位置和强度），因此，可避免壅塞产生，保证喷射器变工况运行的高效和可靠性。

在上述实施例中，由于应用改进的伴随方法进行反演优化，因此，可以高效实现全局喷射器几何结构优化，节约优化时间。

在上述实施例中，由于建立了喷射器内相变流动特性、喷射器性能与系统其他部件及其整体性能的定量关联，因此，实现了喷射器各区、喷射器整体和系统性能的三级优化。

在上述实施例中，由于喷射器优化装置包括区域反演优化模块、整体优化模块以及系统优化模块，因此能够实施优化喷射器，并应用于嵌入式设备。

上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。

Claims (9)

1.一种喷射器优化方法，用于对不同工况下的喷射器进行多尺度结构优化设计和实时优化控制，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，获取不同工况的工况参数以及流体的物性参数，根据所述工况参数以及所述物性参数确定所述喷射器内多相流动相变过程的动态分区；

步骤S2，根据所述动态分区建立动态分区耦合模型；

步骤S3，利用所述动态分区耦合模型确定影响所述喷射器综合性能指标的各区的关键影响参数；

步骤S4，确定所述关键影响参数与所述关键影响参数对应的影响因素之间的定量关系；

步骤S5，根据所述定量关系对所述喷射器进行两级反演优化得到各区结构参数以及各区控制参数，包括如下子步骤：

步骤S5-1，根据所述定量关系对所述喷射器内各区的几何结构进行反演优化设计从而得到各区结构反演优化参数，并根据所述定量关系对所述喷射器变工况时各区的容量调控参数进行反演辨识从而得到各区的区域控制参数；

步骤S5-2，根据所述各区结构反演优化参数进行所有区的几何结构协同反演优化从而得到整体结构反演优化结果，根据所有所述区域控制参数进行协同反演优化从而得到整体控制参数反演优化结果；

步骤S5-3，基于所述各区结构反演优化参数、所述整体结构反演优化结果、所述区域控制参数以及所述整体控制参数反演优化结果对所述喷射器的几何结构与控制参数进行不断反演优化，从而得到最终喷射器整体优化后的各区结构反演优化参数与区域控制参数，分别作为所述各区结构参数与所述各区控制参数；

步骤S6，根据所述各区结构参数以及所述各区控制参数对所述喷射器进行喷射器整体优化，从而得到整体优化后几何结构以及整体优化后控制参数；

步骤S7，确定所述喷射器的效率与所有所述工况、所述流体、所述整体优化后几何结构与所述整体优化后控制参数之间的定量关联；

步骤S8，基于喷射式系统的非线性动态耦合模型以及所述定量关联进行系统整体优化，从而得到系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数；

步骤S9，判断所有所述工况下的所述喷射器是否都具有对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，判断为是时进入步骤S10，判断为否时重新进入步骤S1获取新的工况下的参数；

步骤S10，输出不同所述工况下所述喷射器的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，建立不同工况范围内喷射器几何结构参数和控制参数的全局优化组合以及变工况实时动态优化策略，并在不同所述工况下利用对应的所述系统优化后几何结构以及所述系统优化后控制参数对所述喷射器进行选型与控制。

2.根据权利要求1所述的喷射器优化方法，其特征在于：

其中，所述步骤S3的喷射器综合性能指标为动态优化评价指标，至少包括考虑随时空动态变化的各区关键性能参数、喷射器整体性能、喷射器所在系统的动态性能，各区的关键影响参数包括微观和宏观几何结构。

3.根据权利要求1所述的喷射器优化方法，其特征在于：

其中，在所述步骤S5-1的反演优化与反演辨识过程中，优化目标函数为喷射器内各动态分区关键参数与对应的影响因素的定量关联式，

所述动态分区关键参数至少包括主喷嘴出口各相流速分布、引射室进气量、混合室最小熵增、扩压室升压比、当地压力、流场结构、温度场、各相分布、相变位置、旋流位置以及强度，

所述影响因素至少包括流体物性、进出口工况、工质纯度、几何结构、引射角以及树枝状旁通角，

所述步骤S5-1的反演优化为喷射器各分区基于动态分区耦合模型的正向设计与逆向优化设计结合。

4.根据权利要求3所述的喷射器优化方法，其特征在于：

其中，所述逆向优化设计为基于遗传算法结合全局伴随优化方法的非线性全局寻优反演方法，通过该非线性全局寻优反演方法辨识与优化喷射器内各区结构参数、壁面曲线、壁面沟槽、壁面微观结构以及壁面亲疏性。

5.根据权利要求1所述的喷射器优化方法，其特征在于：

其中，在所述步骤S5-2的协同反演优化过程中，优化目标函数为喷射器效率、有效引射比和升压比与对应的关键影响参数的定量关联式，

所述有效引射比为引射的制冷剂质量流速与流体总质量流速的比值，

所述关键影响参数至少包括工况、流体物性、喷射器几何结构、旋流强度、当地压力、速度、各相分布、涡结构以及工质纯度，

所述步骤S5-2的协同反演优化为所述喷射器内各区几何结构协同优化反设计，通过伴随方法改进所述喷射器的内部几何结构。

6.根据权利要求1所述的喷射器优化方法，其特征在于：

其中，在所述步骤S7中所述定量关联为喷射器效率与流体物性、工况、几何结构以及整体优化后控制参数之间的定量关联，

所述整体优化后控制参数包括主动流流量、主动与引射入口工质各相浓度、喷针位置、旋流位置以及强度，考虑相同瞬态工况下定常和非定常流动对喷射器效率的影响。

7.根据权利要求1所述的喷射器优化方法，其特征在于：

其中，在所述步骤S8的系统整体优化过程中，通过喷射器效率以及根据所有工况下喷射式系统性能与喷射器几何结构、旋流强度、工质纯度的关键影响参数建立的定量关联进行优化，

所述喷射式系统性能至少包括COP、制热量以及制冷量，

所述步骤S8的系统整体优化包括喷射器几何结构与所述喷射器所在的系统内相关部件的协同优化反设计，在系统总体优化条件下改进喷射器内部几何结构，

所述步骤S8的系统整体优化包括喷射器控制参数与所述喷射器所在的系统内相关部件的控制参数的协同优化控制。

8.根据权利要求1所述的喷射器优化方法，其特征在于：

其中，所述动态分区耦合模型为考虑流动和相变弛豫的非均相非平衡动态分区耦合时空四维三相数值模型，各分区模型为考虑壁面微结构影响的、且能够准确模拟不同工况下该区流动物理过程的数值模型。

9.一种喷射器优化装置，用于对不同工况下的喷射器进行多尺度结构优化设计和实时优化控制，其特征在于，包括：

工况以及流体物性获取与分区模块，获取不同工况的工况参数以及流体的物性参数，根据所述工况参数以及所述物性参数确定所述喷射器内多相流动相变过程的动态分区；

模型建立模块，根据所述动态分区建立动态分区耦合模型；

关键影响参数确定模块，利用所述动态分区耦合模型确定影响所述喷射器综合性能指标的各区的关键影响参数；

定量关系确定模块，确定所述关键影响参数与所述关键影响参数对应的影响因素之间的定量关系；

区域反演优化模块，根据所述定量关系对所述喷射器内各区的几何结构进行反演优化设计从而得到各区结构反演优化参数，并根据所述定量关系对所述喷射器变工况时各区的容量调控参数进行反演辨识从而得到各区的区域控制参数，然后根据所述各区结构反演优化参数进行所有区的几何结构协同反演优化从而得到整体结构反演优化结果，根据所有所述区域控制参数进行协同反演优化从而得到整体控制参数反演优化结果，最后基于所述各区结构反演优化参数、所述整体结构反演优化结果、所述区域控制参数以及所述整体控制参数反演优化结果对所述喷射器的几何结构与控制参数进行不断反演优化，从而得到最终喷射器整体优化后的各区结构反演优化参数与区域控制参数，分别作为所述各区结构参数与所述各区控制参数；

整体优化模块，根据所述各区结构参数以及所述各区控制参数对所述喷射器进行喷射器整体优化，从而得到整体优化后几何结构以及整体优化后控制参数；

定量关联确定模块，确定所述喷射器的效率与所有所述工况、所述流体、所述整体优化后几何结构与所述整体优化后控制参数之间的定量关联；

系统优化模块，基于喷射式系统的非线性动态耦合模型以及所述定量关联进行系统整体优化，从而得到系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数；

系统参数判断模块，判断所有所述工况下的所述喷射器是否都具有对应的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，判断为是时进入下述系统参数输出模块，判断为否时重新进入所述工况以及流体物性获取与分区模块获取新的工况下的参数；以及

系统参数输出模块，输出不同所述工况下所述喷射器的系统优化后几何结构以及系统优化后控制参数，建立不同工况范围内喷射器几何结构参数和控制参数的全局优化组合以及变工况实时动态优化策略，并在不同所述工况下利用对应的所述系统优化后几何结构以及所述系统优化后控制参数对所述喷射器进行选型与控制。

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