基于計算流體力學(xué)的虹吸式流道形狀優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、虹吸現(xiàn)象是一種常見的非穩(wěn)態(tài)流動現(xiàn)象,虹吸式流道因其具有只要抬高液面高度差就能獲得動力源的優(yōu)點(diǎn),在工程中具有廣泛的應(yīng)用,因此研究虹吸式流道的形狀優(yōu)化設(shè)計方法具有重要意義。國際國內(nèi)已經(jīng)在虹吸式流道的應(yīng)用方面做了較多的研究,但是,針對非穩(wěn)態(tài)虹吸過程的相關(guān)理論研究還較少見:在流體機(jī)械的形狀優(yōu)化設(shè)計方面,非穩(wěn)態(tài)流動現(xiàn)象的優(yōu)化設(shè)計是個長期存在的難點(diǎn),這方面的研究工作才剛剛起步。因此,本論文首先在研究非穩(wěn)態(tài)虹吸相關(guān)理論的基礎(chǔ)上,提出產(chǎn)生虹吸的基本條件

2、,再通過建立計算流體力學(xué)(CFD)模型深入分析非穩(wěn)態(tài)虹吸的流體流動特性和啟動特性,探究基于逆向工程的流道幾何形狀獲取方法,結(jié)合提出的虹吸性能評價指標(biāo)對復(fù)雜虹吸式流道進(jìn)行形狀優(yōu)化設(shè)計與實驗驗證研究,并對復(fù)雜虹吸式流道的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法展開了研究。本論文主要研究內(nèi)容與成果如下:
　　 1.研究了適用的計算流體力學(xué)模型及產(chǎn)生虹吸的所需條件
　　 根據(jù)虹吸原理分析了傳統(tǒng)研究方法的缺陷,明確了非穩(wěn)態(tài)虹吸基本概念,并以此確定了適用的

3、CFD模型;同時采用定常形式的伯努利方程對穩(wěn)態(tài)流動假設(shè)條件下的虹吸作定性研究。結(jié)果表明,定常形式的伯努利方程只能用于虹吸式流道的定性分析,對非穩(wěn)態(tài)虹吸作定量研究宜采用CFD方法;壓強(qiáng)是產(chǎn)生虹吸的必要條件,流態(tài)為產(chǎn)生虹吸的激發(fā)條件,在一定壓強(qiáng)作用下,虹吸式流道出水段出現(xiàn)封閉水柱或局部滿管流的流態(tài)都可能激發(fā)虹吸的產(chǎn)生;虹吸過程可視為一種活塞效應(yīng)的結(jié)果。這些結(jié)論可為后續(xù)的非穩(wěn)念虹吸研、究奠定基礎(chǔ)。
　　 2.研究了非穩(wěn)態(tài)虹吸的流體流動

4、特性及啟動過程
　　 建立幾何模型和CFD模型用于研究非穩(wěn)態(tài)虹吸的流體流動特性,并以工程上常用到的虹吸濾池中的虹吸式流道為例,研究其非穩(wěn)態(tài)虹吸的啟動過程。研究明確了非穩(wěn)態(tài)虹吸的流態(tài)、速度場和壓強(qiáng)特性,指出通過調(diào)節(jié)虹吸式流道出水管道的長度可有效控制非穩(wěn)態(tài)虹吸過程的最大平均流速、最大平均負(fù)壓,證實了虹吸啟動的關(guān)鍵是應(yīng)盡快促使虹吸式流道中形成封閉水柱,并促成活塞效應(yīng)將氣體排出流道,促使全局滿管流動的形成。
　　 3.研究了復(fù)雜

5、虹吸式流道的幾何形狀獲取方法及形狀特征
　　 以坐便器中的虹吸式流道為例,研究如何獲取復(fù)雜虹吸式流道的幾何形狀。結(jié)果表明,可采用逆向工程、計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)為復(fù)雜虹吸式流道的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計提供精確的CAD模型。虹吸式流道主要彤狀特征分析結(jié)果表明,流道的直徑、α角、β角、水封高度和收縮口曲線是復(fù)雜虹吸式流道形狀優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵,且在設(shè)計虹吸式流道時應(yīng)考慮保持流道曲率總體上的光滑過渡,以減小流動過程中的阻力。
　　

6、 4.研究了基于計算流體力學(xué)的坐便器虹吸式流道形狀優(yōu)化設(shè)計方法
　　 建立CFD模型并用粒子圖像測速(PIV)實驗來驗證,用該模型預(yù)測復(fù)雜虹吸流道內(nèi)部速度場和壓強(qiáng)的變化,并根據(jù)預(yù)測值與多個評價虹吸性能的指標(biāo)來研究流道的收縮口截面、流道上升段仰角α和下降段長度L等對虹吸性能的影響,以優(yōu)化設(shè)計流道的形狀。結(jié)果表明,建立的CFD模型具有較高精度,能很好地模擬復(fù)雜虹吸式流道中的流場變化;虹吸式流道的收縮口截面、流道上升段仰角α和下降段

7、長度L對虹吸性能具有重要影響,當(dāng)采用光滑曲線設(shè)計及α為39°、L為227 mm時,虹吸性能最佳,可使坐便器實際用水量從6升降至5升,具有節(jié)水效果;并證實累積負(fù)壓是非穩(wěn)態(tài)虹吸研究中最佳的虹吸性能評價指標(biāo)。
　　 5.研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的坐便器虹吸式流道形狀優(yōu)化設(shè)計技術(shù)
　　 通過CFD模型計算得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模樣本,以幾何變量為輸入、累積負(fù)壓為輸出,建立非穩(wěn)態(tài)虹吸的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,對比分析復(fù)雜虹吸式流道使

8、用Levengerg-Marquardt(L-M)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果表明,L-M神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對訓(xùn)練樣本有很好的擬合能力,貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則具有更好的泛化能力;L-M神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最佳模型結(jié)構(gòu)為2-4.1,貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效節(jié)點(diǎn)數(shù)為3.67967,通過貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真,確定了流道形狀的最佳設(shè)計參數(shù)(彎道半徑為80 mm、出水段直徑為45 mm);并構(gòu)建了基于CFD和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的虹吸式流道形狀優(yōu)化設(shè)計平臺框架,以期為虹吸式

9、流道形狀的快速優(yōu)化設(shè)計提供方法參考。
　　 6.研究了虹吸式流道優(yōu)化設(shè)計過程中的實驗驗證方法
　　 針對坐便器中復(fù)雜虹吸式流道的形狀優(yōu)化設(shè)計建立相應(yīng)的實驗驗證方法,評價優(yōu)化設(shè)計效果。即,采用PIV實驗測量虹吸式流道內(nèi)部實際流場,結(jié)果證實了所建CFD模型的準(zhǔn)確性;利用相似理論研制了用于制備不同形狀虹吸式流道的實驗裝置,可根據(jù)模型仿真計算尋得的較優(yōu)流道形狀參數(shù)制備出相應(yīng)的虹吸式流道實物,驗證設(shè)計出的不同形狀流道的虹吸效果,這