优化技术在水泵水力设计中的应用探索

三维设计

  • BladeGen

在Vista cpd下面右键create new创建一个新的bladeGen文件,进入到三维设计的模块。bladeGen是基于S1和S2两流面理论,在这里可以对轴面流道进行调整,对不同span下的角度分布和厚度进行调整,得到一个比较好的流动状态下的叶片形状。

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优化技术在水泵水力设计的应用(下篇)的图2

  • Vista TF

Vista TF是二维通流截面分析,通过快速的二维无粘计算,得到一个速度分布较均匀的轴面流道。

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优化技术在水泵水力设计的应用(下篇)的图4

  • BladeEditor 参数化设计

BladeEditor是嵌入在DesignModeler中的模块,在Workbench平台下新建Geometry中启动,对几何模型进行参数化设置,可以看到在Blade _Camberline1的属性中,所有参数化的点前面方框里都出现了D。点击parameter set,可以看到设置了16个参数。

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TurboGrid网格划分

TurboGrid是一款专门针对叶轮机械的高度自动化六面体网格划分工具,可以生成高质量的边界层网格,其中ATM自动划分方法,提高了计算效率,非常方便。

Workbench窗口中,拖拽TurboGrid组件连接到Geometry中,或鼠标右键点击Geometry选择Transfer Data To New TurboGrid。设置后检查网格质量,再进行必要的调整,得到高质量的网格。

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优化技术在水泵水力设计的应用(下篇)的图7

三维CFD分析

在二维分析的基础上,通过CFX软件进行叶轮流道的CFD分析,将内部流动“可视化”,通过数值仿真的“虚拟试验”,CFD可以较准确地预测所设计出的产品的全工况压力、功率、效率等特性。

在Workbench窗口中,新建一个CFX组件,把TurboGrid文件拖拽连接到CFX的Setup节点,然后双击setup,进入cfx_pre中进行Domain、Boundary和interface等设置,编辑expressions,设定output control中monitor1、2、3分别为H、M、efficiency。求解一组参数后使其收敛。

然后进入到post中在Expression菜单中找到H(扬程)和efficiency(效率),点击鼠标右键选择Use as Workbench Output Parameter,定义为输出参数。

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优化技术在水泵水力设计的应用(下篇)的图9

水泵优化流程

基于后处理结果对水力设计进行优化、迭代,以满足客户使用要求。最终得到满足要求的高性能叶轮水力。

  • OptiSLang敏感性分析

1、在Workbench的Toolbox中,双击OptiSLang下的Sensitivity。

2、进入参数化设计,在DOE里选择拉丁超立方抽样,样本点先取100个(后续根据情况可继续加点)。

3、100个样本点计算完成后,可以看到feasible下有绿色true和红色false出现,提示信息显示部分样本点未能完成计算。

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在Workbench中, 可使用HPC快速计算,根据资源配置,可选择同时计算多个点,以节省计算时间。

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优化技术在水泵水力设计的应用(下篇)的图11

接下来为每个响应变量建立高质量响应面即MOP-最优预测元模型

5、在参数分析阶段建立MOP后,后续优化、稳健性可靠性分析均可将MOP作为求解器来进行,而不再需要借助于CAE求解器,因此可以极大地提高分析效率。

6、从预测系数CoP,从中找到敏感性大的参数:对扬程H和效率efficiency敏感性大的设计变量。

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优化技术在水泵水力设计的应用(下篇)的图13

  • OptiSLang优化分析

1、在弹出的Optimization NLPQL窗口中,保留敏感性大的几个参数,其余的被过滤掉。

2、然后点击Import criteria,进行单目标优化,构造目标函数和约束函数,设置H≥35,设置efficiency为MAX。

3、鼠标右键点击Optimization中的NLPQL,开始验证对比最佳设计点,在response values中可以看到最优MOP和calculation结果对比。

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优化技术在水泵水力设计的应用(下篇)的图15

最终进行初始设计和优化设计的几何对比:

双击打开parameter set,在table of design points中找到要优化的点,右击set as current,然后更新geometry、turbogrid及cfx。

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优化技术在水泵水力设计的应用(下篇)的图17

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通过对比可以看出来:扬程有所提高,效率由95.5%提高到98.8%。

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