一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法技术

本发明专利技术属于水泵技术领域，公开了一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法。本发明专利技术的过程为：试验测量离心泵的能量性能和振动性能；将长度尺度引入LES亚格子应力模型的涡粘系数中，建立一种IDDES耦合模型；对离心泵的能量性能和振动性能进行数值计算，并分析离心泵扬程、效率和加权振动速度水平的计算误差；基于DOE方法建立数值优化的样本库；采用全局优化算法对构建的近似模型进行优化。本发明专利技术提供了一种低振高效离心泵叶轮的数值优化方法，不仅可以较为准确地得到低振高效离心泵叶轮主要几何参数的最优组合，还可以降低设计成本。

A numerical optimization method for centrifugal pump impeller with low vibration and high efficiency

The invention belongs to the technical field of the pump, and discloses a numerical optimization method for the impeller of a low vibration and high efficiency centrifugal pump. The process of the invention is that the energy and vibration performance test of centrifugal pump; the length scale is introduced into the LES subgrid scale eddy viscosity model, the establishment of a IDDES coupled model; numerical calculation of energy performance and vibration performance of the centrifugal pump, and analyze the calculation error, and the weighted vibration efficiency of centrifugal Beng Yangcheng speed level; create a sample database based on numerical optimization DOE method; using global optimization to construct approximate model optimized algorithm. The invention provides a numerical optimization method for low vibration and high efficiency centrifugal pump impeller, which can not only get the optimal combination of main geometric parameters of low vibration and high efficiency centrifugal pump impeller, but also reduce the design cost.

【技术实现步骤摘要】
一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法
本专利技术涉及水泵
，特指一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法。
技术介绍
泵作为广泛应用于国民经济的各个部门和领域的通用机械，其运行时产生的过量振动与噪声日益受到关注，而振动是引起噪声的根源，因此这就对离心泵的振动性能提出了较高的要求。如何有效地降低离心泵运行时产生的振动能量，一直是离心泵设计的重点与热点之一。目前，提高机械工程产品的效率并降低运行时产生的振动噪声能量，已经成为机械行业发展的趋势所向，如中国专利申请号为201610383068.1、名称为一种涡轮叶片减振分析优化方法，采用干摩擦模型，基于振动响应计算提出了一种可以有效降低涡轮叶片振动能量的优化方法；中国专利申请号为201710043972.2、名称为一种船舶柴油机推进动力模块的减振降噪装置，设计了一种具备开展船舶柴油机推动力模块的多项试验能力的减振降噪装置，实现了对柴油机振动噪声能量的控制；中国专利申请号为201410802607.1、名称为一种混合动力汽车的正交试验设计标定优化方法及系统，采用正交试验方法，根据测试次数和控制曲线进行组合，通过对临界点控制参数标定优化，减少了单位路程耗油量进而达到环保的目的。因此，利用数值优化方法可以有效地解决大部分工程实际问题，为一些产品的优化改进提供了高效可靠的方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术主要针对离心泵的能量性能及振动性能进行了数值优化研究，提供了一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法，旨在为低振高效离心泵叶轮的设计提供参考。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法，包括以下步骤：(1)进行试验测量离心泵的能量性能和振动性能，得到设计流量下离心泵的扬程、效率的试验值以及位于轴承座水平方向、底座竖直方向和出口法兰水平方向处多个测点的加权振动速度水平的试验值；具体如下：(A)试验前，对离心泵进口压力变送器、出口压力变送器和振动传感器校零；(B)当离心泵在设计流量平稳运行后，采用电测法或扭矩法得到设计流量下离心泵的扬程、效率以及位于轴承座水平方向、底座竖直方向和出口法兰水平方向处等多个测点处的加权振动速度水平的试验值。(2)将长度尺度lDES引入LES的Smagorinsky亚格子应力模型的涡粘系数中，建立一种IDDES耦合模型；采用建立的IDDES耦合模型对离心泵内部流动进行数值计算，得到设计流量下离心泵的扬程和效率的计算值；基于试验得到的扬程和效率的试验值，对扬程和效率的计算值进行误差分析；若扬程和效率的计算值与试验值之间的相对误差大于计算精度ε1，则改变涡粘系数中的长度尺度lDES，直至计算值与试验值之间的差值小于或等于ε1。建立离心泵有限元模型，采用插值搜索算法，将压力分布数据映射到结构体上，根据离心泵实际试验情况，基于模态响应对流体激励动载荷下离心泵的振动进行计算；基于试验得到的加权振动速度水平的试验值，对加权振动速度水平的计算值进行误差分析；若离心泵加权振动速度水平的计算值与试验值之间的相对误差大于计算精度ε2，则改变插值算法中的权指数，直至计算值与试验值之间的差值小于或等于ε2。其中ε1＝0.005～0.03；ε2＝0.005～0.02。(3)基于DOE(DesignofExperiments)方法建立低振高效离心泵叶轮数值优化的样本库，具体步骤如下：(A)确定影响离心泵扬程、效率和加权振动速度水平的叶轮主要几何参数；(B)采用DOE方法构建低振高效离心泵叶轮数值优化的n组实验方案，所述DOE方法为均匀设计方法或正交试验设计方法拉丁方设计方法或拉丁超立方抽样试验设计方法；(C)采用CFX和LMSVirtual.lab对n组实验方案进行数值计算；(D)根据步骤(C)的数值计算结果，建立包含离心泵叶轮主要几何参数、扬程、效率和加权振动速度水平的样本库，其中n-nt组样本用于构建近似模型，nt组样本用于预测近似模型的精度。(4)根据n-nt组样本，采用响应面模型或Kriging模型，构建离心泵叶轮主要几何参数与离心泵扬程、效率以及加权振动速度水平之间的近似模型；采用步骤(A)得到的近似模型对nt组样本进行预测，利用t检验方法对近似模型中的回归系数进行检验，并基于修正的方均根误差％RMSE和修正的复相关系数Ra2计算近似模型的预测精度；若近似模型的预测精度满足精度准则，则进行步骤(5)的全局优化；若近似模型的预测精度不满足精度准则，则增加样本，重新构建近似模型，直到近似模型满足预测精度。所述t检验方法、修正的方均根误差％RMSE和修正的复相关系数Ra2的计算公式如下：其中：式中：nrc为近似模型项数，ns为评估测试点数，yi为准确值，yi(p)为预测值，bi为对yi(p)无偏估计，σa为样本库数据的标准差，Cii为矩阵(X’X)-1与bi对应的特征值。所述精度准则为t>0.5、％RMSE<0.14、Ra2>0.99。(5)采用全局优化算法对步骤(4)得到的近似模型进行优化，得出离心泵叶轮主要几何参数的最优组合，具体如下：(A)以设计流量下离心泵的扬程为约束条件、效率最高和加权振动速度水平最低为目标函数，采用自适应模拟退火算法或自适应遗传算法蚁群算法等全局优化算法对构建的近似模型进行优化；(B)若优化结果不满足收敛准则，则把结果保存到样本库，重新构建近似模型，并重新进行全局优化，直至满足收敛准则为止，若优化结果满足收敛准则，则进行步骤(C)。(C))根据步骤(A)的最终优化结果对离心泵扬程、效率和加权振动速度水平进行数值计算，若计算的效率值不是最高、且加权振动速度水平不是最低，则将结果补充到样本库中，返回步骤(4)，直至步骤(A)的最终优化结果满足效率值最高、且加权振动速度水平最低为止，得到最终优化结果。所述收敛准则的计算公式如下：式中：EI(x)max为EI(ExpectedImprovement)函数的最大值，ymin为优化过程中当前最小预测值。所述EI函数的计算公式如下：式中：Ψ为标准正态分布概率密度函数，fmin为所有样本中最小的目标函数值，和分别为x处近似模型的预测值和预测标准差，Φ为坐标正态分布密度函数，μ为期望向量，σ为标准差向量。计算精度ε3＝10-7。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术提供的一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法，基于IDDES耦合模型，在涡粘系数中引入长度尺度lDES，可以加快剪切层处RANS到LES的转换，对涡、边界层分离等非定常流动具有极高的计算精度，进而提高了数值优化的准确性。(2)本专利技术提供的一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法，兼顾了效率和振动性能，工程应用范围广阔，能够有效地降低振动，达到保护环境的目的。(3)本专利技术提供的一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法，不仅适用于设计流量，对非设计流量下的数值优化也具有显著效果。附图说明图1为本专利技术所述一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法的流程图。图2为本专利技术实施例中振动测点示意图。图中：1.测点A；2.测点B；3.测点C；4.测点D；5.测点E。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。一台比转数为66.7的离心泵，其主要设计参数为：流量Q本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法，其特征在于，步骤如下：(1)进行试验测量离心泵的能量性能和振动性能，得到设计流量下离心泵的扬程、效率的试验值以及位于轴承座水平方向、底座竖直方向和出口法兰水平方向处多个测点的加权振动速度水平

【技术特征摘要】
1.一种低振高效离心泵叶轮数值优化方法，其特征在于，步骤如下：(1)进行试验测量离心泵的能量性能和振动性能，得到设计流量下离心泵的扬程、效率的试验值以及位于轴承座水平方向、底座竖直方向和出口法兰水平方向处多个测点的加权振动速度水平的试验值；(2)将长度尺度lDES引入LES亚格子应力模型的涡粘系数中，建立一种IDDES耦合模型，并采用建立的IDDES耦合模型对离心泵内部流动进行数值计算，得到设计流量下离心泵的扬程和效率的计算值；分析离心泵扬程和效率的计算值与试验值之间的相对误差，若扬程和效率的计算值与试验值之间的相对误差大于计算精度ε1，则改变涡粘系数中的长度尺度lDES，直至计算值与试验值之间的差值小于或等于ε1；基于模态响应对流体激励动载荷下离心泵的振动进行计算，得到设计流量下离心泵轴承座水平方向、底座竖直方向和出口法兰水平方向处的加权振动速度水平的计算值；若离心泵加权振动速度水平的计算值与试验值之间的相对误差大于计算精度ε2，则改变插值算法中的权指数，直至计算值与试验值之间的差值小于或等于ε2；(3)基于DOE方法建立低振高效离心泵叶轮数值优化的样本库；(4)采用响应面模型或Kriging模型，构建离心泵叶轮主要几何参数与离心泵扬程、效率以及加权振动速度水平之间的近似模型，利用t检验方法进行检验，并基于修正的方均根误差％RMSE，修正的复相关系数Ra2计算所述近似模型的预测精度，若近似模型的预测精度不满足精度准则，则增加样本，重新构建近似模型并计算近似模型的预测精度，直到近似模型满足预测精度；(5)采用全局优化算法对步骤(4)得到的近似模型进行优化，得出离心泵叶轮主要几何参数的最优组合。2.根据权利要求1所述的低振高效离心泵叶轮数值优化方法，其特征在于，所述步骤(2)具体如下：(A)将长度尺度lDES引入LES的Smagorinsky亚格子应力模型的涡粘系数中，建立一种IDDES耦合模型；(B)采用建立的IDDES耦合模型对离心泵内部流动进行数值计算，得到设计流量下离心泵的扬程和效率的计算值；(C)基于试验得到的扬程和效率的试验值，对扬程和效率的计算值进行误差分析；若扬程和效率的计算值与试验值之间的相对误差大于计算精度ε1，则改变涡粘系数中的长度尺度lDES，直至计算值与试验值之间的差值小于或等于ε1。(D)建立离心泵有限元模型，采用插值搜索算法，将压力分布数据映射到结构体上，根据离心泵实际试验情况，基于模态响应对流体激励动载荷下离心泵的振动进行计算；(E)基于试验得到的加权振动速度水平的试验值，对加权振动速度水平的计算值进行误差分析；若离心泵加权振动速度水平的计算值与试验值之间的相对误差大于计算精度ε2，则改变插值算法中的权指数，直至计算值与试验值之间的差值小于或等于ε2。3.根据权利要求2所述的低振高效离心泵叶轮数值优化方法，其特征在于，ε1＝0.005～0.03；ε2＝0.005～0.02。4.根据权利要求1所述的低振高效离心泵叶轮数值优化方法，其特征在于，所述步骤(3)基于DOE方法建立低振高效离心泵叶轮数值优化的样本库，具体步骤如下：(A)确定影响离心泵扬程、效率和加权振动速度水平的叶轮主要几何参数；(B)采用DOE方法构建低振高效离心泵叶轮数值优化的n组实验方案，所述DOE方法为均匀设计方法或正交试验设计方法拉丁方设计方法或拉丁超立方抽样试验设计方法；(C)采用CFX和LMSVirtual.lab对n组实验方案进行数值计算；(D)根据步骤(C)的数值计算结果，建立包含离心泵叶轮主要几何参数、扬程、效率和加权振动速度水平的样本库，其中n-nt组样本用于构建近似模型，nt组样本用于预测近似模型的精度。5.根据权利要求4所述的低振高效离心泵叶轮数值优化方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，李钰，刘厚林，谈明高，王勇，董亮，张子旭，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32