一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法及系统，包括：获取涡轮机的初始设计数据，并根据初始设计数据构建初始几何模型数据；对涡轮机的初始几何模型划分网格；对划分网格后的几何模型进行计算流体动力学仿真，并依据仿真结果对几何模型进行优化；对优化后的几何模型进行评估；依据几何模型的评估，继续优化几何模型，直到得到最优几何模型参数。本发明专利技术实现了依据初始文件自动建立于修改几何模型、自动划分网格、自动进行高精度CFD模拟仿真、自动评估模型的优劣和自动寻优的完美结合，能够快速地和可靠的寻找出涡轮机械几何模型的最优设计参数。械几何模型的最优设计参数。械几何模型的最优设计参数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法及系统


[0001]本专利技术属于涡轮机械设计
，尤其涉及一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法及系统。

技术介绍

[0002]由于超临界CO2(sCO2)高密度特性，可采用高效的径流式涡轮机构成功率密集型动力系统，同时其密度的快速变化降低了压缩机的耗功，有助于提升sCO2动力系统的效率；获得涡轮机械几何模型后，对其精确评估是重要的一部分，但对大压比的sCO2涡轮机械中面临的非理想气体流体动力学的黎曼问题(Riemann)问题的成功模拟非常困难，当前方法中，无法提供先进的模拟方法，这已成为实现紧凑高效sCO2涡轮机械的主要障碍。
[0003]专利技术人发现，现存的研究中，大多以单一研究几何形状优化算法结合计算流体动力学(CFD)仿真模拟为主，还不存在能使自动操作涡轮机械几何结构改变、自动划分网格、自动进行CFD模拟仿真并同时评估结果以及最终获得最优几何结构的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法及系统，本专利技术实现了依据初始文件自动建立几何模型、自动划分网格、自动进行CFD模拟仿真、自动评估模型的优劣和自动寻优的完美结合，能够快速地和可靠的寻找出涡轮机械几何模型的最优设计参数。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法，包括：
[0007]获取涡轮机的初始设计数据，并根据初始设计数据构建初始几何模型数据；
[0008]对涡轮机的初始几何模型划分网格；
[0009]对划分网格后的几何模型进行计算流体动力学仿真，并依据仿真结果对几何模型进行优化；
[0010]对优化后的几何模型进行评估；
[0011]依据几何模型的评估，继续优化几何模型，直到得到最优几何模型参数。
[0012]进一步的，对几何模型进行评估和优化时，获取几何模型的参数矢量，以构成n维数值空间内的初始单形及其设置的范围；依据目标函数，判断所述单形是否收敛。
[0013]进一步的，n维数值空间是指n个优化变量构成的n维数值空间。
[0014]进一步的，进行几何模型参数优化时，采用Fletcher and Reeves算法、Newton或Nelder
‑
Mead算法；在本专利技术中利用Nelder
‑
Mead单纯形变换算法自动修改模型，Eilmer4程序包自动划分网格，OpenFOAM软件自动进行CFD计算高精度模拟；采用不需要计算导数值的Nelder
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Mead单纯形变换算法，适用于隐形关系式的计算。
[0015]进一步的，判断单形未收敛时，优化几何模型，得到新的状态向量；依据新的状态向量进行重新评估。
[0016]进一步的，判断单形收敛时，判断否是最优收敛；如果不是最优收敛，继续修改单形，创建一个新的状态向量；如果是最优收敛，输出状态向量和仿真结果。
[0017]进一步的，对几何模型进行评估，包括：
[0018]创建几何模型在n维数值空间中的的凸包，获取状态向量；比较所述凸包和所述状态向量；
[0019]若状态向量在凸包外，则进行计算流体动力学仿真，评估计算总成本；同时，将计算流体动力学仿真的结果进行保存；
[0020]若状态向量在凸包内，如果状态向量与预设的一个已经计算得到目标函数值的状态向量差的绝对值，小于预设值，则使用已经计算的状态向量的模拟值作为状态向量的模拟值；
[0021]若状态向量在凸包内，如果状态向量与预设的一个已经计算得到目标函数值的状态向量在一个预设的范围内，则计算累积准则的值，产生一个随机数；所述预设的范围的最小值大于所述预设值；
[0022]如果所述累积准则大于所述随机数，则将状态向量进行计算流体动力学仿真，评估计算总成本；同时，将计算流体动力学仿真的结果进行保存；
[0023]如果所述累积准则小于所述随机数,则寻找凸包的极值，利用极值来插值获得状态向量的模拟结果。
[0024]进一步的，对新的几何模型进行计算流体动力学仿真评估时，采用有限元法或有限体积法，在本专利技术中采用有限体积法。
[0025]第二方面，本专利技术还提供了一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化系统，包括数据采集模块、网格划分模块、优化器、评估模块和最优参数获取模块；
[0026]所述数据采集模块，用于获取涡轮机的初始设计数据，并根据初始设计数据构建初始几何模型数据；
[0027]所述网格划分模块，用于对涡轮机的初始几何模型划分网格；
[0028]所述优化器，用于对划分网格后的几何模型进行计算流体动力学仿真，并依据仿真结果对几何模型进行优化；
[0029]所述评估模块，用于对优化后的几何模型进行评估；
[0030]所述最优参数获取模块，用于依据几何模型的评估，继续优化几何模型，直到得到最优几何模型参数。
[0031]第三方面，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法的步骤。
[0032]第四方面，本专利技术还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法的步骤。
[0033]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0034]1.本专利技术实现了依据初始文件自动建立于修改几何模型、自动划分网格、自动进行高精度CFD模拟仿真、自动评估模型的优劣和自动寻优的完美结合，能够快速地和可靠的寻找出涡轮机械几何模型的最优设计参数；
[0035]2.本专利技术模块化的设计思路使得优化器模块和函数评估模块可采用不同的方法应用，如优化器模块使用Fletcher and Reeves算法、Newton或Nelder
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Mead算法等，评估模块可以使用有限元(FEM)或有限体积法(FVV)等；模块的选择基于具体的工程问题，可根据理论的发展进行移植；交互式的设计思路，可实现适用于不同的几何设计，应用不同的机械结构场景下；对于在涡轮机械的应用，得到的优化后的几何模型，可以避免超音速流动导致的冲击波，从而达到提升涡轮效率的效果。
附图说明
[0036]构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
[0037]图1为本专利技术实施例1的优化算法原理图；
[0038]图2为本专利技术实施例1的Nelder
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Mead单纯形变换方法程序流程图；
[0039]图3为本专利技术实施例1的目标函数评估模块程序流程图；
[0040]图4为本专利技术实施例2的根据特性法设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法，其特征在于，包括：获取涡轮机的初始设计数据，并根据初始设计数据构建初始几何模型数据；对涡轮机的初始几何模型划分网格；对划分网格后的几何模型进行计算流体动力学仿真，并依据仿真结果对几何模型进行优化；对优化后的几何模型进行评估；依据几何模型的评估，继续优化几何模型，直到得到最优几何模型参数。2.如权利要求1所述的一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法，其特征在于，对几何模型进行评估和优化时，获取几何模型的初始单形及其设置的范围；依据目标函数，判断所述单形是否收敛。3.如权利要求1所述的一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法，其特征在于，进行几何模型参数优化时，采用Fletcher and Reeves算法、Newton或Nelder
‑
Mead算法。4.如权利要求3所述的一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法，其特征在于，判断单形未收敛时，优化几何模型，得到新的状态向量；依据新的状态向量进行重新评估。5.如权利要求4所述的一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法，其特征在于，判断单形收敛时，判断否是最优收敛；如果不是最优收敛，继续修改单形，创建一个新的状态向量；如果是最优收敛，输出状态向量和仿真结果。6.如权利要求1所述的一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法，其特征在于，进行对几何模型评估时，采用有限体积法或有限元法进行模拟。7.如权利要求1所述的一种基于计算流体动力学的涡轮机械优化方法，其特征在于，对几何模型进行评估，包括：创建几何模型的凸包，获取状态向量；比较所述凸包和所述状态向量；若状态向量在凸包外，则进行计算流体动力学仿真，评估计算总成本；同时，将计算流体动力学仿真的结果进行保...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐建荟，肖永清，王旭江，韩奎华，杨岳鸣，马炳坤，
申请(专利权)人：山东大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：