基于不完全敏感性方法的低比轉(zhuǎn)速離心葉輪優(yōu)化研究.pdf

1、低比轉(zhuǎn)速離心泵(ns≤80)具有輸送介質(zhì)流量小、揚(yáng)程高等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各種工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、葉輪轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，其研究新成果也不斷出現(xiàn)，但是對(duì)于離心泵葉輪設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究進(jìn)展緩慢，離心葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要困難在于泵的水力性能與其內(nèi)流道形狀之間復(fù)雜的隱式關(guān)系。
　　 為此本研究以低比轉(zhuǎn)速離心葉輪作為研究對(duì)象，以流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，建立離心泵葉輪的優(yōu)化模型和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，選取合適的湍流模型，通過對(duì)葉輪內(nèi)流場(chǎng)的

2、數(shù)值模擬和優(yōu)化程序代碼相結(jié)合，提出了基于不完全敏感性的低比轉(zhuǎn)速離心葉輪的優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法在求設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)對(duì)流道形狀控制變量的梯度時(shí)，忽略流道形狀的變化對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)變量的影響，因此在一次優(yōu)化循環(huán)中，只需進(jìn)行一次流場(chǎng)計(jì)算，避免了應(yīng)用有限差分方法中計(jì)算一次梯度矢量時(shí)需多次計(jì)算流場(chǎng)，且避免了在伴隨方法中推導(dǎo)及求解復(fù)雜的伴隨方程，特別是在設(shè)計(jì)變量的維數(shù)較大時(shí)，能大大減少計(jì)算量。本文的主要工作和研究成果有:
　　 1.提出采用Taylor

3、多項(xiàng)式方法對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心葉輪二維葉片型線進(jìn)行參數(shù)化控制，Taylor多項(xiàng)式中的系數(shù)視被為控制變量，算例證明該方法可以有效地參數(shù)化控制任意復(fù)雜形狀的葉片型線。
　　 2.提出采用不完全敏感性方法進(jìn)行低比轉(zhuǎn)速離心葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)不完全敏感性方法，當(dāng)流道形狀有微小的擾動(dòng)時(shí)，其對(duì)流場(chǎng)變量的影響可以忽略，因此在一次優(yōu)化循環(huán)里，梯度矢量的計(jì)算就避免了對(duì)流動(dòng)區(qū)域的重復(fù)計(jì)算，計(jì)算量大大減少。
　　 3.根據(jù)提出的葉輪參數(shù)化控制方法和不

4、完全敏感性方法的優(yōu)化理論，采用MATLAB軟件編制了不完全敏感性方法用于低比轉(zhuǎn)速離心葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序，該程序運(yùn)行穩(wěn)定，并且經(jīng)適當(dāng)修改可用于其他目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　 4.本研究將作用在葉片上的扭矩為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以任意給定的直葉片為初始葉形，應(yīng)用不完全敏感性的方法就很容易地得到目標(biāo)函數(shù)對(duì)控制變量的梯度，沿目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量梯度矢量的反方向不斷更新葉片形狀，逐步尋優(yōu)，最終找到目標(biāo)函數(shù)取最小值時(shí)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。此時(shí)泵的揚(yáng)程、效