本發(fā)明涉及離心泵的優(yōu)化設計，具體是一種基于遺傳算法優(yōu)化的高溫高壓的極限工況下運行的離心式葉輪的多學科設計方法。

背景技術：

近年來一些大型高溫高壓多級離心泵在世界各國都向大容量、高轉速、高效率、可靠性、低噪聲及自動化等方向發(fā)展。目前高溫高壓多級離心泵的需求量越來越大，然而國內對大型工業(yè)用泵的研制難以取得突破，大部分依賴于進口。高溫高壓離心泵的設計涉及到流體力學、材料力學、結構力學和熱力學等多個學科，比如消防泵、超超鍋爐給水泵、核電站上充泵都屬于高溫高壓多級離心泵。傳統(tǒng)的設計方法往往對每個子系統(tǒng)(學科)單獨優(yōu)化，企圖將幾個最優(yōu)的子系統(tǒng)組合成一個也是最優(yōu)的大系統(tǒng)。這種設計方法忽視工程系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)間的相互關系，從而不能滿足工程技術發(fā)展的需要。一方面，結構、動力、控制等學科的理論不斷完善，計算能力的飛速發(fā)展使得設計人員能夠建立更復雜的數學模型、分析更詳細的構形、提高分析結果的精度，比如采用有限元法進行結構分析，利用計算流體力學進行流場分析等等，但上述進步基本上是發(fā)生在特定的學科或子系統(tǒng)的范圍內，并沒有為總體設計帶來什么直接的益處。與各學科或子系統(tǒng)理論蓬勃發(fā)展形成強烈對比的是，長期以來，泵類流體機械的設計總體設計方法的發(fā)展一直停滯不前，其理論落后、方法陳舊，雖然這些理論和方法在過去數十年發(fā)揮了極其重要的作用，為我國泵行業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻，但是它們忽視工程系統(tǒng)中各學科之間的耦合效應、不能充分利用學科的發(fā)展成果、與工程設計組織形式不一致。本發(fā)明主要是基于遺傳優(yōu)化算法提供一種基于流體力學、材料力學、結構力學和熱力學四個學科的高溫高壓泵葉輪的水力設計方法，通過采用先進的CFD技術和有限元分析技術以及建立的多學科優(yōu)化的數學模型對高溫高壓離心泵的葉輪進行設計與優(yōu)化。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的：提供一種基于流體力學、材料力學、結構力學和熱力學四個學科的高溫高壓泵葉輪的水力設計方法，通過對設計方案的多學科評估，在保證泵的水力性能優(yōu)于設計指標的情況下，使泵的安全特性最佳。

為實現上述目的，基于遺傳算法對高溫高壓離心式葉輪進行優(yōu)化，本離心式葉輪主要工作在高溫高壓的極限工況下，其主要由前蓋板、葉片和后蓋板三部分組成，其特征在于，將高溫高壓離心式葉輪的優(yōu)化流程模塊化，模塊一為基于遺傳算法的水力設計模塊，模塊二為基于CFD技術的CFD計算模塊，模塊三為基于二次遺傳優(yōu)化的流固熱耦合計算模塊，模塊四是系統(tǒng)優(yōu)化模塊，其中水力設計模塊、CFD計算模塊、流固熱耦合模塊順次相連，前一個模塊的計算結果作為后一個模塊計算的初始條件，并將CFD計算模塊和流固熱耦合模塊計算結果作為系統(tǒng)優(yōu)化模塊的輸入，分析兩個模塊相互作用產生的協調效應獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解，包括以下設計步驟：

步驟1：結合多工況水力設計方法、低氣蝕、不等揚程水力設計方法設計葉輪的主要結構參數，設定高溫高壓離心式葉輪主要結構參數的約束范圍，包括設計參數Ⅰ葉輪出口直徑D2、設計參數Ⅱ葉輪包角設計參數Ⅲ葉片進口安放角β1、設計參數Ⅳ葉片出口安放角β2、設計參數Ⅴ葉輪出口寬度b2五個系統(tǒng)變量x1、x2、x3、x4、x5，每個系統(tǒng)變量對應7種設計方案；

步驟2：基于遺傳算法的雜交、自然選擇以及突變的思想，首先將對每個系統(tǒng)變量進行編碼，每一個設計參數對應7種設計方案，每個方案分別用3位無符號二進制整數來表示，公式如下：

然后，將五個系統(tǒng)變量均任取一個對應的設計方案，組成表現型X，然后將表現型X轉換為15位無符號二進制數，就形成了個體的基因型；

如X＝(x1,x2,x3,x4,x5)＝(2,3,1,6,5)，所對應的編碼為010011001110101；

步驟3：建立高溫高壓離心式葉輪的初始種群，任取種群規(guī)模為8，每個個體可通過隨機方法產生，如(011101101011，101011011100，011100111001，111001011101，010101001011，100011011110，010101111001，101001011001)，遺傳算法中以個體適應度的大小來評定各個個體的優(yōu)劣程度，從而決定其遺傳機會的大小，而在高溫高壓離心式葉輪的設計中以求函數最大值為優(yōu)化目標，可通過CFD計算結果直接利用效率的目標函數值作為個體的適應度，然后進行選擇運算，然后進行交叉運算，然后進行變異運算，以水力性能為優(yōu)化目標，對新一代群體進行優(yōu)勝略汰的評價選擇，對群體再進行一輪選擇、交叉、變異運算之后可得到新一代的8個最優(yōu)群體，然后進入步驟4；

步驟4：采用商業(yè)CFD模擬軟件將步驟3中選出的8種最優(yōu)方案進行熱流場的計算分析，得到的計算結果，進入步驟5；

步驟5：對該離心式葉輪和軸結構進行三維建模，采用有限元分析軟件對葉輪及軸系結構進行基于有限元的熱力學分析，并將步驟4中的熱流場計算結果中的流固接觸面的壓力信息導入并施加在葉輪結構上，分析葉輪的應力應變分布情況并進行綜合評估，遴選出4種最優(yōu)方案；當高溫工況下葉片變形超過設計要求時，葉片厚度增加原葉片厚度的0.08至0.15倍，當葉片變形遠優(yōu)于要求規(guī)定的變形量時，葉片厚度減小原葉片厚度的0.05至0.09倍；將4種最優(yōu)方案葉片厚度進行調整后，重新進入步驟4進行泵的熱流場計算，直至優(yōu)化厚度后葉片最大變形超過設計要求指標的8％，然后進入步驟5；

步驟6：將最終4種最優(yōu)方案的泵水力性能、葉輪結構的有限元安全特性、泵氣蝕性能三方面進行綜合評估，考慮的指標重要性依次是：葉輪結構的有限元安全特性>泵氣蝕性能>泵水力性能，并構建該特種離心泵系統(tǒng)多學科優(yōu)化目標函數的數學模型，得到1種最優(yōu)方案。

步驟1中，首先給出高溫高壓離心泵的初始解，包含葉輪的進出口直徑、葉片包角、葉片出口寬度、葉片進出口安放角、葉片厚度，系統(tǒng)變量的初始條件由以下約束確定：

D₁＝(0.51～0.87)·D₂₁；

β₂＝(1.12～1.32)·β₁；

z＝4～7；

式中：

D₂—葉輪出口直徑，mm；

n_s—泵比轉速，

Q—泵流量，m³/h；

n—泵轉速；

D₁—葉輪進口直徑，mm；

b₂—泵葉片出口寬度，mm；

—葉輪葉片包角，。；

β₁—葉片進口安放角，。；

β₂—葉片出口安放角，。；

z—葉輪葉片數；

步驟3中，所述選擇運算，是把當前群體中適應度較高的個體按某種規(guī)則或模型遺傳到下一代群體中，一般要求適應度較高的個體將有更多的機會遺傳到下一代群體中；

所述交叉運算，是遺傳算法中產生新個體的主要操作過程，它以某一概率相互交換某兩個個體之間的部分染色體；

所述變異運算，是對個體的某一個或某一些基因座上的基因值按某一較小的概率進行改變，它也是產生新個體的一種操作方法。

步驟6中，所述多學科優(yōu)化目標函數的數學模型由以下公式確定：

其中，F(X)是多學科評價指數，f(x_i)代表第i學科的評價指數，f(x_i0)代表第i學科的技術要求指數。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明能在保證泵的水力性能、氣蝕性能、可多工況運行的情況下，使泵的安全特性最佳，更可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個實施例的葉輪簡圖；a-軸面圖，b-平面圖；

圖2是葉輪的平面投影簡圖；

圖3是本發(fā)明多學科優(yōu)化設計的流程圖；

附圖標記說明：

1-前蓋板，2-葉片，3-后蓋板，葉輪出口直徑D₁，葉輪出口直徑D₂，葉輪出口半徑R₁，葉輪出口半徑R₂，葉輪包角Φ，葉片進口安放角β₁，葉片出口安放角β₂，葉輪出口寬度b₂。

具體實施方式

圖1和圖2是本發(fā)明一個實施例的葉輪及其幾何參數表示的簡圖，圖3是本發(fā)明多學科優(yōu)化設計的流程圖，基于遺傳算法對高溫高壓離心式葉輪進行優(yōu)化，本離心式葉輪主要工作在高溫高壓的極限工況下，其主要由前蓋板、葉片和后蓋板三部分組成，其特征在于，將高溫高壓離心式葉輪的優(yōu)化流程模塊化，模塊一為基于遺傳算法的的水力設計模塊，模塊二為基于CFD技術的CFD計算模塊，模塊三為基于二次遺傳優(yōu)化的的流固熱耦合計算模塊，模塊四是系統(tǒng)優(yōu)化模塊，其中水力設計模塊、CFD計算模塊、流固熱耦合模塊順次相連，前一個模塊的計算結果作為后一個模塊計算的初始條件，并將CFD計算模塊和流固熱耦合模塊計算結果作為系統(tǒng)優(yōu)化模塊的輸入，分析兩個模塊相互作用產生的協調效應獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解，包括以下設計步驟：

步驟1：結合多工況水力設計方法、低氣蝕、不等揚程水力設計方法設計葉輪的主要結構參數，設定高溫高壓離心式葉輪主要結構參數的約束范圍，包括設計參數(一)葉輪出口直徑D2、設計參數(二)葉輪包角Φ、設計參數(三)葉片進口安放角β1、設計參數(四)葉片出口安放角β2、設計參數(五)葉輪出口寬度b2五個系統(tǒng)變量，每個系統(tǒng)變量對應7種設計方案；

步驟2：基于遺傳算法的雜交、自然選擇以及突變的思想，首先將對每個系統(tǒng)變量進行編碼，每一個設計參數對應7種設計方案，每個方案分別用3位無符號二進制整數來表示，公式如下：

然后，將五個系統(tǒng)變量均任取一個對應的設計方案，組成表現型X，然后將表現型X轉換為15位無符號二進制數，就形成了個體的基因型；

如X＝(x1,x2,x3,x4,x5)＝(2,3,1,6,5)，所對應的編碼為010011001110101；

步驟3：建立高溫高壓離心式葉輪的初始種群，任取種群規(guī)模為8，每個個體可通過隨機方法產生，如(011101101011，101011011100，011100111001，111001011101，010101001011，100011011110，010101111001，101001011001)，遺傳算法中以個體適應度的大小來評定各個個體的優(yōu)劣程度，從而決定其遺傳機會的大小，而在高溫高壓離心式葉輪的設計中以求函數最大值為優(yōu)化目標，可通過CFD計算結果直接利用效率的目標函數值作為個體的適應度，然后進行選擇運算，然后進行交叉運算，然后進行變異運算，以水力性能為優(yōu)化目標，對新一代群體進行優(yōu)勝略汰的評價選擇，對群體再進行一輪選擇、交叉、變異運算之后可得到新一代的8個最優(yōu)群體，然后進入步驟4；

步驟4：采用商業(yè)CFD模擬軟件將步驟3中選出的8種最優(yōu)方案進行熱流場的計算分析，得到的計算結果，進入步驟5；

步驟5：對該離心式葉輪和軸結構進行三維建模，采用有限元分析軟件對葉輪及軸系結構進行基于有限元的熱力學分析，并將步驟4中的熱流場計算結果中的流固接觸面的壓力信息導入并施加在葉輪結構上，分析葉輪的應力應變分布情況并進行綜合評估，遴選出4種最優(yōu)方案；當高溫工況下葉片變形超過設計要求時，葉片厚度增加原葉片厚度的0.08至0.15倍，當葉片變形遠優(yōu)于要求規(guī)定的變形量時，葉片厚度減小原葉片厚度的0.05至0.09倍；將4種最優(yōu)方案葉片厚度進行調整后，重新進入步驟4進行泵的熱流場計算，直至優(yōu)化厚度后葉片最大變形超過設計要求指標的8％，然后進入步驟5；

步驟6：將最終4種最優(yōu)方案的泵水力性能、葉輪結構的有限元安全特性、泵氣蝕性能三方面進行綜合評估，考慮的指標重要性依次是：葉輪結構的有限元安全特性>泵氣蝕性能>泵水力性能，并構建該特種離心泵系統(tǒng)多學科優(yōu)化目標函數的數學模型，得到1種最優(yōu)方案。

步驟1中，首先給出高溫高壓離心泵的初始解，包含葉輪的進出口直徑、葉片包角、葉片出口寬度、葉片進出口安放角、葉片厚度，系統(tǒng)變量的初始條件由以下約束確定：

D₁＝(0.51～0.87)·D₂₁；

β₂＝(1.12～1.32)·β₁；

z＝4～7；

步驟6中，所述多學科優(yōu)化目標函數的數學模型由以下公式確定：

其中，F(X)是多學科評價指數，f(x_i)代表第i學科的評價指數，f(x_i0)代表第i學科的技術要求指數。