离心泵作透平水力性能和外场流激噪声多目标优化方法

摘要

本发明属于离心泵作透平设计技术领域，公开了一种离心泵作透平水力性能和外场流激噪声多目标优化方法。所述的方法包含以下步骤：第一，明确了离心泵作透平多目标优化设计变量取值范围的确定方法；第二，通过外特性实验，建立了离心泵作透平CFD数值计算中所需机械效率的计算方法，从而能够准确的计算离心泵作透平的效率；针对离心泵作透平内外介质不同的特点，采用FEM/AML声振耦合法求解外场流激噪声；第三，建立了不同几何参数对离心泵作透平效率和外场总声功率级的敏感性分析模型；第四，基于响应面法进行水力性能和外场流激噪声多目标优化。本发明提高了设计效率，缩短了离心泵作透平的设计周期，能够有效地提高离心泵作透平的效率，同时能够降低其噪声。

主权项

离心泵作透平水力性能和外场流激噪声多目标优化方法，其特征在于包括以下步骤：(1)离心泵作透平多目标优化设计变量取值范围的确定；着重分析叶轮6个主要因素叶片进口安放角β₁、叶片出口安放角β₂、叶片出口宽度b₂、叶片包角、叶轮进口直径D_j以及叶片数z对于离心泵作透平水力性能和外场流激噪声的影响；指定叶片进口安放角β₁、叶片出口安放角β₂、叶片出口宽度b₂变化范围为原模型的1.5倍；叶片包角、叶轮进口直径D_j变化范围为原模型的1.3倍；叶片数z变化范围为原模型的2倍，且每个参数在其相应的变化范围内按照平均间隔取7个值，如数值不整则对其进行圆整；(2)离心泵作透平外特性计算；根据步骤(1)确定参数的取值来确定数值计算方案，即在保持其他参数不变的情况下改变其中某一参数的取值；采用CFD对离心泵作透平进行全流场数值计算，外特性的计算方法如下：水头：$H=\frac{p_{in}-p_{out}}{\rho g}+\Delta z+\frac{v_1^2-v_2^2}{2g}---\left(1\right)$式中：p_in为蜗壳进口总压；p_out为叶轮出口总压；Δz为进出口高度差，v₁为进口截面平均流速；v₂为出口截面平均流速；效率：$\eta ={\eta }^{\prime }\times {\eta }_m=\frac{M^{\prime }\omega }{\rho gQH}\times {\eta }_m---\left(2\right)$式中：M′为叶片工作面、背面和前后盖板内、外表面的力矩之和；ρ为液体密度；ω为叶轮转动的角速度；η'为包含容积损失和圆盘损失的离心泵作透平全流场计算预测效率值，η_m为机械效率，Q为特定工况下的流量；式(2)中机械效率η_m的计算公式为：${\eta }_m=0.9895\frac{1}{1+\frac{15.05}{n_s^{7/8}}}---\left(3\right)$式中：n_s是离心泵做透平的比转速；(3)离心泵作透平外场流激噪声计算；离心泵作透平内部介质为水，外部介质为空气，基于FEM/AML的声振耦合方法，求解外场流激噪声；(4)不同几何参数对离心泵作透平水力性能和外场流激噪声的敏感性分析；本发明采用敏感度系数来量化各个参数对于离心泵作透平水力性能和外场流激噪声的影响程度，用S表示敏感度，定义如下：$S=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left|\frac{{\mathrm{\Delta y}}_i}{y_{max}-y_{min}}/\frac{{\mathrm{\Delta x}}_i}{x_{max}-x_{\min }}\right|}{n}---\left(4\right)$式中：Δy_i表示效率或外场总声功率级变化量(y_i‑y₀)，其中，y₀表示原始模型的效率或外场总声功率级，y_i表示模型的效率或外场总声功率级；y_max和y_min分别表示效率或外场总声功率级的最大值和最小值；Δx_i表示几何参数的变化量(x_i‑x₀)，x₀表示原始模型对应参数，x_i表示模型的对应参数，x_max和x_min分别表示参数的最大值和最小值，n为参数的个数；将改变某参数获得的透平效率敏感度和外场总声功率级敏感度相加，则得到该参数对于离心泵作透平效率和外场总声功率级的敏感性情况；(5)基于响应面的水力性能和外场流激噪声多目标优化；应用Design Expert软件，采用响应面方法，对步骤(4)筛选出的敏感值大于5的参数采用中心复合设计法设计实验方案；根据实验方案分别计算不同方案的效率以及外场总声功率级，采用三阶多项式拟合得到效率和外场总声功率级基于实际因子水平的回归方程：效率基于实际因子水平的回归方程为：外场总声功率级基于实际因子水平的回归方程为：接着利用Design Expert软件，寻找效率尽可能大，同时外场声功率级尽可能小的最优参数组合；该优化问题可表示为：