基于高维混合模型的离心泵叶轮子午面优化设计

为提高离心泵在设计工况下的运行效率和扬程,提出一种基于高维混合模型的离心泵叶轮优化设计方法.选取一台比转数为157的单级离心泵作为研究对象,通过CFturbo软件对优化变量进行参数化,然后结合数值模拟获得高维混合模型的训练集.在此基础上采用获取的训练集通过MATLAB机器学习得出效率、扬程与优化参数之间关于支持向量回归的高维模型,并采用遗传算法寻优.在设计工况下,所拟合的高维混合模型预测的效率和扬程值比原模型分别高1.5%和3.2 m,数值模拟验证优化方案的效率和扬程分别比原模型高0.9%和2.1 m.算例研究表明,将高维混合模型应用于离心泵叶轮的优化设计中可以实现快速寻优并提高离心泵水力性能.

基于反问题设计的离心泵叶轮泥沙磨损特性优化研究

离心泵被广泛应用于我国黄河沿岸的提灌泵站中。黄河水中的泥沙对离心泵造成的泥沙磨损问题严重影响离心泵的安全高效运行。反问题设计是离心泵叶轮优化设计的常用方法,但作为其关键设计参数的叶片载荷加载方式对离心泵磨损性能的影响尚不清楚。针对叶片载荷加载方式对离心泵叶轮泥沙磨损特性影响的问题,采用固液两相流数值计算的方法,研究了前盖板前加载后盖板后加载、前后盖板均偏中加载以及前后盖板均偏后加载3种不同叶片载荷加载方式对离心泵水力性能、叶轮磨损特性和固液两相流流场特性的影响。结果表明:相比于其它方案,前后盖板均偏中加载方案得到的离心泵具有较优的水力性能。在各工况下,相比于原叶轮,前后盖板均偏中加载方案的叶片最大磨损率减小25%~73%,小流量工况下可减小73%,大流量工况下可减小25%,明显提高了叶片的磨损性能。相比于原叶轮,3种优化方案在前盖板背面流线上的压力分布更均匀光顺;在小流量工况下,前后盖板均偏中加载方案和前后盖板均偏后加载方案叶片表面的固相体积分数较小,各种方案得到的叶片表面的速度分布基本相同;在额定流量工况下,原叶轮的叶片表面体积分数较小,前后盖板均偏中加载方案和前后盖板均偏后加载方案的叶片工作面固相速度大的区域相对较小,固相速度也有所减小。因此,前后盖板均偏中加载方案具有较优的水力性能和磨损特性,可为离心泵叶轮磨损特性的优化提供参考。

基于PB-NSGA-Ⅲ算法的高速离心泵叶轮性能优化研究

为探索提高高速离心泵综合水力性能的方法,以IS-60-50-158型高速泵叶轮的几何模型为基础,对高速泵叶轮进行了多目标优化设计。首先,采用数值模拟方法对初始的高速泵进行了数值模拟,并确定了设计参数;然后,确定了优化变量并对优化变量均匀抽样,建立了叶轮几何参数组合与性能参数间的近似模型;最后,应用双指标的基于参考点非支配遗传算法(PB-NSGA-Ⅲ)求解并寻找出满足性能要求的几何参数组合,以优化高速泵叶轮模型,并对优化结果和高速泵的流场进行了对比分析。研究结果表明:将优化后的叶轮用于该高速泵,进行全流道数值模拟分析后,设计工况点的水力效率提高了2.22%;叶片头部的静压有所提高,最低静压区域面积减少。数值模拟结果与优化方法获得的性能参数有很好的一致性,证明该优化方法可快速、可靠地对高速泵叶轮进行多目标水力优化设计。

基于伴随方法的离心泵叶轮优化设计

针对水力机械优化设计过程中存在计算量巨大、叶型的控制及修改不便等问题,提出了基于伴随方法的离心泵叶轮优化设计方法.以某低比转数离心泵叶轮为研究对象,采用泰勒展开法进行离心泵叶片形状的参数化控制.将泵内流动控制方程作为优化问题的约束条件,通过引入伴随变量将约束优化问题变为无约束优化问题,推导了目标函数的变分形式、伴随方程及伴随变量在计算域各边界上的边界条件.根据伴随方法计算目标函数对设计变量的梯度矢量,在任意给定的初始直叶片的基础上沿梯度矢量反方向不断更新叶片形状,直至目标函数达到最小值时即为最优设计.由于在目标函数的变分中不包含流场参数的变分,在一次优化迭代中只需要计算流场及伴随变量场各一次,大大减少了叶轮优化过程的计算量.算例计算结果表明所提出的离心泵叶轮伴随优化方法是可行的.

离心泵叶轮的优化设计模型

论述了以泵的能量损失最小为目标函数，以叶轮叶片出口宽度、出口角、直径、叶片数、进口直径、进口角、进口宽度为设计变量的泵叶轮的优化设计模型及优化计算方法．

基于遗传算法的离心泵叶轮参数化造型及优化设计

根据流面流动理论,通过坐标变换实现离心泵叶轮子午面及叶片结构的参数化造型.采用自适应策略等技术对遗传算法的遗传操作进行改进以提高算法搜索效率,并设计了多目标决策的适应值函数.采用CFD软件NUMECA对叶轮及压水室等主要过流部件内部流动进行三维定常计算,从而预测离心泵的水力性能.编写FORTRAN程序实现参数化、搜索算法及性能预测3部分的联合,开发出一种离心泵叶轮造型的自动优化方法.以离心泵的2个外特性参数效率和扬程作为优化目标,应用该方法对Dn1000型潜油泵及IS80-65-125型清水泵的叶轮结构进行多目标优化.优化后两泵的水力性能有了明显提高,在设计工况下扬程分别提高了0.21 m和1.70 m,效率分别提高了1.9%和2.3%.

中开多级离心泵效率优化计算方法

对离心泵水力效率及高效区相对宽度的优化计算方法进行研究,在水力损失模型的基础上提出基于近似模型的多目标优化计算方法.以中开多级离心泵的优化设计为例,基于水力损失模型进行设计变量灵敏度分析,选出关键设计变量.分别利用水力损失、完全二次响应面(RSF)、径向基高斯响应面(RBF)和克里金响应面(KRG)4种近模型优化离心泵的关键设计变量,分析4种效率优化计算方法的精确性和有效性.结果表明:基于理论公式计算的第1种优化方法耗时少,但结果误差较大;后3种优化方法基于计算流体动力学(CFD)数值仿真分析,结果准确,其中RSF模型的结果最精确且计算时间较短.比较3种不同近似模型的计算精度,RSF的计算结果最精确, RBF结果次之, KRG结果最差.在设计流量下,基于RSF的Pareto最优解的扬程为83.77 m,效率为77.26%,基于RBF的Pareto最优解的扬程为83.09 m,效率为76.63%.

基于试验设计近似模型优化方法及其在离心泵上的应用

针对许多已有的优化方法中存在着一些无法克服的缺陷,本文提出了基于试验设计的近似模型优化方法:该优化方法以实验设计为指导结合目标函数评估手段获得样本数据点集合,在此基础上运用近似模型拟合技术建立自变量与响应值之间的近似模型;然后利用数值优化方法求取该优化模型的最优解,即为所求问题的最优解。本文应用这一优化方法对一离心泵叶轮进行了优化设计,优化结果表明这种新的优化方法具有高效和精确的优点。

电潜单螺杆泵油井生产系统优化设计方法

以电潜单螺杆泵油井生产系统为研究对象 ,以油井供液能力 (原油入井流动特性曲线 )、单螺杆泵的特性和整个系统的协调工作为依据 ,利用系统节点分析方法和最优化技术 ,把获得设计产量下的系统效率最高或能耗最低作为优化设计目标 ,介绍了井下电潜螺杆泵子系统基本模型的建立方法 ,并给出了有关的换算关系式、优化设计方法及步骤。利用现场优化设计实例验证了此方法的可行性 ,为油田电潜单螺杆泵油井生产的优化设计提供了理论依据。

螺杆泵优化设计方法及应用

螺杆泵采油方式近两年来得到了较快的发展。为了优选螺杆泵的抽油工艺，本文以流体力学和理论力学为基础，推导出了地面驱动螺杆泵的基本数学模型，简单讨论了螺杆泵采油方式的优化设计方法，并举实例说明。

基于权矩阵分析法的微型离心泵多目标正交优化设计

针对微型离心泵设计时缺乏理论公式指导的问题,采取基于权矩阵分析的多目标正交试验方法,进行微型泵叶轮设计参数优化研究。采用CFD方法对正交试验方案进行数值模拟,并根据模拟结果计算出影响扬程、效率和功率3种考察指标的各因素各水平的权重值大小,确定离心泵叶轮的优化方案。比较优化方案和原方案的内外特性,结果发现,在设计工况下,优化方案的效率提高约10%,功率下降56%以上。该方法为后续微型离心泵优化设计提供了理论基础。

半开式叶轮离心泵的效率优化与分析

为了提高半开式叶轮离心泵的水力效率,应用速度系数法对半开式叶轮离心泵的水力效率进行了优化,并采用k-ε湍流模型和标准壁面函数对离心泵进行了数值模拟,仿真分析了蜗壳和叶轮顶端间不同间隙以及不同叶片数对离心泵水力效率的影响。研究结果表明,当蜗壳与叶轮顶面的间隙为0.5 mm,叶片数为6时,离心泵的效率较好。

基于动态RBF代理模型与NSGA-Ⅱ算法的离心泵叶轮优化设计

传统离心泵多目标优化设计中,代理模型的预测精度随着Pareto前沿不断向前推进将逐渐降低,为改善离心泵多目标优化效果,提出一种基于动态RBF代理模型与NSGA-Ⅱ算法的离心泵叶轮优化方法,将生成的Pareto前沿解中部分最优样本添加到RBF样本集中,重新训练RBF代理模型,依据动态代理模型预测子代各样本的目标函数值.以MH48-12.5型离心泵为研究对象,选取叶片的进口安放角、出口安放角及叶片包角为优化变量,采用拉丁超立方抽样(LHS)构建代理模型初始样本空间,并以扬程和效率为优化目标进行多目标优化分析.结果表明:动态RBF代理模型多目标优化方法得到的Pareto前沿要大大优于静态代理模型方法结果,静态代理模型方法得到的Pareto前沿各点均被动态模型方法得到的Pareto前沿所支配;动态代理模型对前沿解的预测精度均大于静态代理模型;动态代理模型方法得到扬程最大点比原始设计高2.86%,比静态模型高1.03%;动态代理模型方法得到水力效率最高点比原始设计效率高4.36%,比静态模型高1.32%.

航空燃油离心泵参数化设计方法研究综述

燃油离心泵是航空发动机控制系统的关键动力元件,结合当前航空燃油离心泵技术发展和设计需要,本文总结对比了离心泵典型参数化设计及优化设计方法。分析了离心泵四种参数化设计方法的技术特点及其局限,考虑到离心泵参数设计方法中存在的随机性和盲目性问题,进一步补充分析了离心泵的结构优化方法,包括基于启发式算法的全局优化方法、基于梯度的优化设计方法和基于代理模型的优化设计方法三类,并指出了三类优化设计方法亟待解决的科学和技术问题。在此基础上,通过分析国外航空发动机燃油离心泵的发展状况,指出了我国航空发动机燃油离心泵所面临的技术挑战、问题和技术发展方向,并立足于现有国内设计基础,给出了夯实我国航空燃油离心泵设计能力需开展的基础性研究工作。

基于速度系数法的离心泵叶轮优化设计

离心泵在水力设计中应保证达到设计参数的要求,有较高的水力效率和良好的汽蚀性能.以离心泵水力设计的速度系数法为前提,应用机械优化设计的方法,以离心泵的效率和汽蚀性能为优化目标建立了离心泵叶轮的优化设计模型,并通过实例计算证明了该方法是切实可行的.

考虑土体、基础和上部结构共同工作时的箱形基础的优化设计

本文建议用子结构法凝聚上部结构的荷载和刚度,同时用有限分层地基模型确定土体的刚度和基底反力,并计及基础自身的刚度影响,进而对箱基进行较全面的内力分析。 在此基础上,选择板、壁的厚度和钢筋用量作为设计变量,并采用可变容差法对箱基进行优化设计。利用本文编制的程序BFOD—88进行计算,所得结果比现行设计方法算得的数值降低造价13％以上。

一种水环真空泵叶轮的结构设计与分析

根据6 500 m3/min巨型水环真空泵的总体设计思想,对叶轮给出了具体设计。通过理论和经验方法计算出叶轮的总体尺寸,保证所设计叶轮能够满足排量要求。对该叶轮进行三维建模、强度刚度分析以及模态分析,确认工作时强度刚度是否足够。接下来,通过计算分析对叶轮的一些尺寸参数进行了优化,使叶轮在满足工作需要的条件下质量尽可能的减轻,进而降低了生产成本。通过上述设计分析,既完成了该叶轮的设计,又使叶轮设计在一定程度上摆脱对经验的依赖。

离心泵蜗壳拓扑优化设计方法研究

为了提高离心泵的水力性能,采用拓扑优化方法对离心泵蜗壳进行拓扑优化设计,建立了优化数学模型,优化目标函数为最小化流体的总压损失,约束条件为流体域的体积约束.基于OpenFOAM,编制了优化问题分析和求解程序,通过连续伴随法求得目标函数对设计变量的灵敏度,采用移动渐近线法(MMA)求解优化问题.二维蜗壳优化结果表明,提出的蜗壳拓扑优化方法能够获得蜗壳优化设计方案,得出的蜗壳结构与用传统设计方法设计出的蜗壳结构十分接近,且拓扑优化方法下的蜗壳流场内总压损失更小,特别是在传统蜗壳设计方法不适用的情况下,该方法能够自动获得蜗壳构型.研究结果对于拓展离心泵优化设计方案具有一定的借鉴价值.

湿室型泵房整体结构优化设计

针对现行规范方法设计的泵房存在"粗、大、笨"的问题,从降低泵房建设成本的角度,构建以泵房结构总造价最低为目标函数,泵房关键结构几何尺寸等参数为设计变量,泵房结构基底应力、地基承载力、抗滑稳定性、结构强度、沉降量及沉降差为约束条件的优化设计数学模型。采用有限元法对泵房结构进行三维有限元数值模拟,同时借助ANSYS软件提供的优化平台对其进行优化设计研究。结果表明:与原设计方案相比,优化方案的泵房总造价减少了9.7%,结构的缝墩厚度达到限定值,既减少了工程总造价,也降低了结构对地基的要求。

基于拓扑优化的混凝土输送臂基座轻量化设计方法研究

应用有限元方法对混凝土输送臂基座进行静强度分析和模态分析,得出其静强度和固有频率满足轻量化设计基本条件。采用密度拓扑优化方法,以单元材料密度为设计变量,以静强度和固有频率为设计约束,以体积最小化为设计目标,对混凝土输送臂基座进行轻量化设计,引入对称约束和最小成员控制约束,保证优化后的可制造性。结果表明:在满足静强度和固有频率约束的前提下,基座质量可减轻18.3 kg。