葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能優(yōu)化平臺(tái)技術(shù)方案

1、葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)方案北京?；问⒖萍加邢薰?015年11月目錄1 .需求分析32 .建設(shè)目標(biāo)與指標(biāo)42.1 建設(shè)目標(biāo)42.2 建設(shè)指標(biāo)43 .建設(shè)方案43.1 總體框架43.2 主要業(yè)務(wù)功能模塊介紹 53.2.1 葉輪機(jī)械三維設(shè)計(jì)模塊 53.2.2 葉輪機(jī)械 CFD分析模塊 73.2.3 專業(yè)的葉輪機(jī)械后處理分析模塊 93.2.4 葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊 104 .典型應(yīng)用實(shí)例介紹 114.1 離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例 114.1.1 離心泵設(shè)計(jì) 114.1.2 離心泵工作性能的數(shù)值仿真 124.1.3 離心泵性能優(yōu)化 144.2 壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例 194.2.1 壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程 19

2、4.2.2 壓縮機(jī)葉輪優(yōu)化具體流程 214.2.3 結(jié)果對(duì)比245 .葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能優(yōu)化平臺(tái)建設(shè)前景 251 .需求分析葉輪機(jī)械是一種以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的葉片為本體，使能量在流體工質(zhì)與軸動(dòng)力之間 相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)力機(jī)械，常用的葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械有泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和渦輪等。為了 降低能源消耗，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力， 在滿足使用條件的情況下，需盡可能提 高產(chǎn)品的性能，提高工作效率，減少耗電量，從而減少客戶的使用費(fèi)用，目前這 已成為產(chǎn)品開發(fā)的重要目標(biāo)。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，CAD技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)方面得到了 廣泛應(yīng)用，CFD數(shù)值模擬技術(shù)能夠很好地模擬內(nèi)部流動(dòng)并預(yù)測(cè)性能，大大減少 了產(chǎn)品研發(fā)過程的研發(fā)成本和

3、研發(fā)周期， 現(xiàn)已深入產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用當(dāng)中。但是隨著 CAD和CFD技術(shù)的使用，新的問題隨之而來，初步設(shè)計(jì)的產(chǎn)品如果通過CFD仿真得到的性能曲線不能滿足使用要求， 往往需要做一些修改。通過重新在CAD 模型中修改幾何參數(shù)，再仿真計(jì)算獲得結(jié)果，如此往復(fù)，直到產(chǎn)品的性能能夠滿足設(shè)計(jì)要求。這種舊的技術(shù)方案在應(yīng)用過程中會(huì)存在三個(gè)主要問題：1）重復(fù)性工作的次數(shù)跟幾何修改參數(shù)的個(gè)數(shù)成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，需要修改的幾 何參數(shù)越多，重復(fù)計(jì)算的次數(shù)越多，使得優(yōu)化工作極為繁瑣；2）舊設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果不能得到分析和利用，無法為下一次的模型修改 提供建議，這樣使得整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程變得無方向性；3）產(chǎn)品在經(jīng)過多次優(yōu)化之后，往往是在

4、局部實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的結(jié)果，并不能實(shí)現(xiàn) 全局最優(yōu)，使得優(yōu)化大打折扣。如果能在CAD技術(shù)和CFD數(shù)值模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入軟件驅(qū)動(dòng)和優(yōu)化算 法，這樣可以重復(fù)驅(qū)動(dòng)CAD軟件和CFD軟件自動(dòng)修改模型和仿真計(jì)算，從而極 大地減少工程師重復(fù)性的工作量， 進(jìn)而減少重復(fù)工作過程中出錯(cuò)的可能性。 添加 優(yōu)化算法之后，可以對(duì)方案重復(fù)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析， 給出下一步模型修改的建 議，指導(dǎo)優(yōu)化。再選擇合適的組合優(yōu)化策略，往往還能夠在全局范圍內(nèi)找到最優(yōu) 的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。優(yōu)化軟件進(jìn)入工程研發(fā)領(lǐng)域多年，但由于存在與參數(shù)化建模軟件、葉輪機(jī)械 設(shè)計(jì)軟件、數(shù)值分析軟件集成的二次開發(fā)等門檻，限制了其推廣應(yīng)用。本方案基于葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)

5、-仿真-優(yōu)化的一體化思路，通過集成葉輪機(jī)械的參數(shù)化設(shè)計(jì)、數(shù) 值分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，并自定義開發(fā)各軟件之間的接口和操作流程的批處理化，在同一平臺(tái)上可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)包括參數(shù)化設(shè)計(jì)、 數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的所有功能， 實(shí)現(xiàn)真正意義上的葉輪機(jī)械的“設(shè)計(jì)-仿真-優(yōu)化”的一體化方案，幫助工程師更 高效便捷地進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)。2 .建設(shè)目標(biāo)與指標(biāo)2.1 建設(shè)目標(biāo)通過集成葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)階段所使用的建模和計(jì)算分析工具， 建立一套能 夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)建模和仿真、結(jié)果分析和性能優(yōu)化的平臺(tái)，最終通過該平臺(tái)能夠較為 輕松地提高葉輪機(jī)械的整體性能和效率，減少優(yōu)化設(shè)計(jì)周期。2.2 建設(shè)指標(biāo)葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能優(yōu)化平臺(tái)包含三部分，各部分建設(shè)

6、指標(biāo)如下所示：(1)集成性能優(yōu)良的葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)工具需具備葉輪機(jī)械的整機(jī)設(shè)計(jì) 功能，并且可將整個(gè)產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)參數(shù)化， 可通過批處理的方式對(duì)模型進(jìn) 行修正。(2)集成穩(wěn)定性與收斂性良好的仿真解算工具， 可完善考慮仿真本身及優(yōu)化所 需輸入、計(jì)算域網(wǎng)格劃分和數(shù)值求解的快速性和準(zhǔn)確性，最終精確獲取葉 輪機(jī)械模型的性能數(shù)據(jù)，承接設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作。(3)集成完備的優(yōu)化算法或性能優(yōu)良的優(yōu)化軟件以實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)仿真軟件之間的無縫對(duì)接。通過優(yōu)化算法可以獲得下一步模型修改的輸入， 使優(yōu)化過程 具備方向性。優(yōu)化是該系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)功能，它可驅(qū)動(dòng) CAD軟件批 處理形式地修改模型，再驅(qū)動(dòng) CFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算獲

7、得結(jié)果數(shù)據(jù)。通 過該功能可將重復(fù)性的工作委托給計(jì)算機(jī)完成，降低重復(fù)工作出錯(cuò)的概 率，進(jìn)而省去設(shè)計(jì)人員大量低價(jià)值的工作，減少優(yōu)化過程的繁瑣性。3 .建設(shè)方案3.1 總體框架葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化平臺(tái)是建立在優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上， 搭建葉輪機(jī)械 設(shè)計(jì)模塊和流體仿真模塊，在特定的目標(biāo)函數(shù)的約束下，形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和修正-仿真分析-基于優(yōu)化算法指導(dǎo)設(shè)計(jì)修正的過程數(shù)據(jù)鏈，這樣可使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有自動(dòng)化，并有方向性地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)修正，減少設(shè)計(jì)人員重復(fù)性的工作， 快 速找到最佳匹配度的設(shè)計(jì)參數(shù)組合。為更好地對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理和分析，還可 集成專業(yè)后處理模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-仿真-優(yōu)化-后處理分析的完備設(shè)計(jì)系統(tǒng)。圖3.

8、1:葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)3.2 主要業(yè)務(wù)功能模塊介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含葉輪機(jī)械三維設(shè)計(jì)、CFD仿真、專業(yè)的后處理分析和基于 目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)優(yōu)化等多個(gè)部分。通過在葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行產(chǎn)品的全三維 設(shè)計(jì)，獲得較理想的初步設(shè)計(jì)模型，并對(duì)此設(shè)計(jì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬和專業(yè)的后處 理分析，獲得目標(biāo)函數(shù)值；根據(jù)分析所得的目標(biāo)函數(shù)值，設(shè)置需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)參 數(shù)，通過優(yōu)化算法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的排列組合，以最少的優(yōu)化設(shè)計(jì)次數(shù)獲得最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)組合，最終得到符合要求的產(chǎn)品。應(yīng)用專業(yè)的后處理分析軟 件Ensight還可以提供除了標(biāo)準(zhǔn)后處理以外的更多信息，更靈活地合并輸出不同 動(dòng)畫和配圖曲線，其虛擬現(xiàn)實(shí)的功能，為工

9、程師更好地了解產(chǎn)品性能以及內(nèi)部細(xì) 節(jié)特征提供了最佳手段。3.2.1 葉輪機(jī)械三維設(shè)計(jì)模塊根據(jù)該設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)要求，推薦引入專業(yè)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件 CFturbo作為葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)部分的應(yīng)用工具。CFturbo具備葉輪機(jī)械的整機(jī)設(shè)計(jì)能 力，包括葉輪機(jī)械的葉輪、誘導(dǎo)輪、蝸殼、擴(kuò)壓器（葉片式/流道式）的設(shè)計(jì)能力，以及針對(duì)某些特殊要求的設(shè)計(jì)能力，例如污水泵設(shè)計(jì)功能（13葉片），雙蝸殼設(shè)計(jì)功能、復(fù)合葉片設(shè)計(jì)等。每個(gè)設(shè)計(jì)步驟所涉及參數(shù)均支持參數(shù)輸出和批 處理，以便與CFD分析和優(yōu)化進(jìn)行更好的集成。CFturbo主要設(shè)計(jì)功能和參數(shù)體 現(xiàn)如下：? 全參數(shù)化智能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)快速，重復(fù)性好：用戶只需提供葉輪機(jī)械

10、設(shè)計(jì) 點(diǎn)的流量、壓差、轉(zhuǎn)速和流體介質(zhì)屬性等基本條件，CFturbo即可根據(jù)內(nèi) 置的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)自動(dòng)設(shè)計(jì)葉輪機(jī)械的二維和三維水力模型。CFturbo智能化設(shè)計(jì)功能可引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行葉輪機(jī)械的流程化的設(shè)計(jì)，同時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的 設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和特定的設(shè)計(jì)要求在不同的設(shè)計(jì)階段對(duì)自 動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行干預(yù)，快速實(shí)現(xiàn)初步的理想模型的設(shè)計(jì)。? 主要幾何尺寸計(jì)算：通過 CFturbo內(nèi)置的或自定義的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，可以確 定泵及葉輪機(jī)械的主要幾何參數(shù)，如葉輪進(jìn)口直徑、葉輪進(jìn)口寬度、葉 輪出口直徑、葉輪出口寬度、輪轂直徑、葉片入口直徑、葉片數(shù)、葉片 進(jìn)出口角、葉片包角、葉片厚度、蝸殼基圓直徑、蝸殼入口寬度、螺旋 線尺寸、蝸

11、殼出口直徑等。? 葉輪子午面設(shè)計(jì)：通過貝塞爾曲線、直線、直線+圓弧及樣條曲線等線型 設(shè)計(jì)葉輪子午面流道。子午面設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：1.流出延伸段的設(shè)計(jì)；2.流線 型曲線的方法設(shè)計(jì)子午流道；3.流道內(nèi)軸面速度云圖、等勢(shì)線分布顯示； 4.過水?dāng)嗝?、靜矩、曲率等的校核。通過以上信息可指導(dǎo)用戶有效地設(shè) 計(jì)性能優(yōu)良的葉輪子午面。? 葉片進(jìn)出口安放角計(jì)算：葉片設(shè)計(jì)是基于多個(gè)子午流線的設(shè)計(jì)產(chǎn)生，葉 片進(jìn)出口安放角設(shè)計(jì)可考慮入口沖角和出口偏移角的影響,可以顯示任 意處的速度三角形數(shù)據(jù)。? 2D或3D葉片的設(shè)計(jì)：通過貝塞爾曲線設(shè)計(jì)葉片不同流線位置的中心弧 線長(zhǎng)度和曲率變化等設(shè)計(jì)葉片的三維模型，也可自定義葉片不同流線位

12、置包角。? 葉片厚度設(shè)計(jì)：可設(shè)計(jì)葉片厚度線性或非線性變化，不同流線截面位置 厚度可不同，葉片厚度也可不對(duì)稱，同時(shí)也可導(dǎo)入外部曲線控制葉片的 厚度。? 蝸殼斷面形狀設(shè)計(jì)：蝸殼斷面形式多樣，可以是矩形、圓形、梯形及非 對(duì)稱形狀，CFturbo提供了 8種斷面形狀可供用戶選擇。? 蝸殼螺旋線設(shè)計(jì)：CFturbo提供了三種不同的設(shè)計(jì)方法用來設(shè)計(jì)蝸殼螺旋 線，分別是Pfleiderer法、Stepanoff法和自定義設(shè)計(jì)，對(duì)于一些特殊的 蝸殼螺旋線設(shè)計(jì)如定截面面積或階梯式均可滿足。? 蝸殼擴(kuò)散段及隔舌設(shè)計(jì)：蝸殼擴(kuò)散段可以是直出式或是彎出式，出口截 面可以是圓弧狀、矩形或是梯形截面等。蝸殼擴(kuò)散段及隔舌均支

13、持x、y、 z方向的全三維設(shè)計(jì)。? 內(nèi)置多種真實(shí)氣體模型：CFturbo內(nèi)置多種非理想氣體狀態(tài)方程，如雷德 利希-邙氏方程及其修正方程、彭-羅賓遜狀態(tài)方程等，用戶可根據(jù)介質(zhì)的 不同特性選擇合適的狀態(tài)方程進(jìn)行設(shè)計(jì)。CFturbo還內(nèi)置了多種理想氣體 和非理想氣體介質(zhì)模型，同時(shí)也支持用戶自定義氣體介質(zhì)模型，以實(shí)現(xiàn) CFturbo模型數(shù)據(jù)庫(kù)的積累和傳承，以滿足氣動(dòng)葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)。? 內(nèi)置豐富的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)庫(kù)：集成了 CFturbo數(shù)十年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于不同 的葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)均有對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)支持；CFturbo還集成了 NACA翼型 數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)支持外部數(shù)據(jù)的輸入和積累。? 完備的軟件接口： CFturb

14、o具備與多種CAD CAE以及優(yōu)化軟件軟件的接 口，從而確保CFturbo設(shè)計(jì)的幾何造型可以輸出到各種軟件進(jìn)行模型優(yōu) 化，CFD分析，結(jié)構(gòu)分析和性能校核等相關(guān)工作。3.2.2 葉輪機(jī)械CFD分析模塊基于CFturb。的設(shè)計(jì)功能和強(qiáng)大的接口功能，對(duì)于葉輪機(jī)械的CFD分析具有 較大的可選擇性。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的性能分析，目前較主流的CFD工具有PumpLinx CFX和Numeca。CFturbo與上述幾款軟件均能實(shí)現(xiàn)批處理數(shù)據(jù)交互，從實(shí)現(xiàn)難易 程度和接口的成熟性而言，CFturbo與PumpLinx為無縫集成接口，PumpLinx本 身定位為專業(yè)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械 CFM析工具，要實(shí)現(xiàn)基于平臺(tái)的葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)

15、仿真分 析PumpLinx是比較理想的選擇。PumpLinx在葉輪機(jī)械CFD分析領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn) 如下：先進(jìn)的網(wǎng)格生成技術(shù)內(nèi)置自動(dòng)化的網(wǎng)格生成器，可以快速的生成CFD求解器可以高效求解的高質(zhì) 量網(wǎng)格。這個(gè)網(wǎng)格生成器采用專有的幾何等角自適應(yīng)二元樹(geometry ConformalAdaptative Binary-tree)算法，既CAB算法，CAB算法在由封閉表面構(gòu)成的體域 生成笛卡爾六面體網(wǎng)格。在靠近幾何邊界，CAB自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格來適應(yīng)幾何曲面和 幾何邊界線。為了適應(yīng)關(guān)鍵性的幾何特征，CAB通過不斷的分裂網(wǎng)格來自動(dòng)的調(diào) 整網(wǎng)格大小，利用最小的網(wǎng)格來分辨細(xì)節(jié)特征。該網(wǎng)格技術(shù)具有如下特點(diǎn)：- 自

16、動(dòng)、快速的網(wǎng)格生成：選擇一組封閉表面，即可通過一鍵式的網(wǎng)格生 成，即可自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分。- 精確表達(dá)原始幾何：創(chuàng)建與曲面形狀相匹配的網(wǎng)格，可以保證準(zhǔn)確表達(dá) 重要幾何特征。- 高質(zhì)量/高效率的網(wǎng)格：基于CAB算法的笛卡爾網(wǎng)格六面體網(wǎng)格，可用較 少的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到較高的網(wǎng)格精度。- 能夠容忍爛幾何：許多CAD曲面有小縫隙或者是沒有專門縫合在一起， 許多網(wǎng)格生成算法會(huì)失敗，因此在生成之前，幾何必須清理干凈。CAB算法在一定程度上可以容忍“爛”幾何， CAB基于“爛”幾何可以生成 合理的網(wǎng)格，而精度損失是可以忽略的，從而獲得有意義的模擬結(jié)果。專業(yè)的葉輪機(jī)械數(shù)值仿真模板：軟件需內(nèi)置有專業(yè)的葉輪機(jī)械分析模板

17、(如 離心泵/離心壓縮機(jī)/風(fēng)扇等)。模板將葉輪機(jī)械的CFD模擬流程和規(guī)范內(nèi)置到 PumpLinx軟件中,用戶不用再做多余的設(shè)置即可順利求解。CFD模擬流程簡(jiǎn) 單化、規(guī)范化，保證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。全空化模型(Full Cavitation Model):軟件內(nèi)置有功能強(qiáng)大且穩(wěn)健的汽蝕模型。 該汽蝕模型具有優(yōu)良的魯棒性，對(duì)于非常惡劣的工況，在其他軟件都難于收 斂的情況下，依然具有良好的收斂性。同時(shí)，模型考慮了液體的可壓縮性， 并考慮了蒸汽的蒸發(fā)和凝結(jié)過程。對(duì)非凝結(jié)氣，用戶可以選擇固定氣體質(zhì)量 分?jǐn)?shù)、可變氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平衡態(tài)氣體溶解和揮發(fā)模型和有限速率氣體溶解， 揮發(fā)模型等。該空化模型不僅能預(yù)測(cè)空

18、化發(fā)生的位置，對(duì)于由于空化而產(chǎn)生 的氣蝕損害也能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。高級(jí)數(shù)值算法：軟件具備高效的求解功能，采用有限體積法思想，在通用CFD 求解器基礎(chǔ)上，將最新的數(shù)值技術(shù)與軟件專有算法相結(jié)合，建立了一個(gè)比其 它競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更快速、更穩(wěn)健的數(shù)值模擬工具。使葉輪機(jī)械的數(shù)值仿真能跟得 上實(shí)際工程的進(jìn)度。強(qiáng)大的軟件后處理功能，在求解過程中可實(shí)時(shí)查看流場(chǎng)內(nèi)壓力、速度、溫度 等云圖、剖面云圖、等值面和流線圖等，可快速創(chuàng)建任意視角的結(jié)果動(dòng)畫，可在同一界面下創(chuàng)建多個(gè)監(jiān)測(cè)窗口，可支持?jǐn)?shù)據(jù)圖表、曲線和矢量圖顯示及顆粒追蹤等顯示功能；軟件界面- 操作簡(jiǎn)單，在同一界面下可實(shí)現(xiàn)包括前處理、求解及后處理在內(nèi)的所 有操作，無需在不同軟件

19、之前切換。- 流程化模板化的操作步驟，使用戶可以很快上手，使軟件能夠真正應(yīng) 用到實(shí)際工作中，并保證使用效果。- 支持?jǐn)U展的高級(jí)模式，以支持用戶更深層次的應(yīng)用需求。3.2.3 專業(yè)的葉輪機(jī)械后處理分析模塊葉輪機(jī)械內(nèi)部為非常復(fù)雜的三維紊流流場(chǎng)，并伴有渦流、回流、空化或超音 速等多種流動(dòng)狀態(tài)。為更好地捕捉流場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕對(duì)流速、相對(duì)流速，絕對(duì) 壓力、相對(duì)壓力、流動(dòng)角、環(huán)量、渦流強(qiáng)度，面積，體積等的計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出， 實(shí)現(xiàn)三維視覺與結(jié)果曲線以及對(duì)比結(jié)果的完美融合，可借助專業(yè)的后處理分析軟件Ensight對(duì)葉輪機(jī)械流場(chǎng)進(jìn)行細(xì)致、豐富、逼真的后處理結(jié)果提取和演示。EnSight是一套適用于各種工程和科學(xué)（

20、CFD, FEA碰撞，流體力學(xué)，SPH及 其他）的后處理與計(jì)算結(jié)果可視化與協(xié)同軟件，它提供了一種完全的對(duì)各種類型 的工程進(jìn)行分析、可視化與交流的手段，可處理百萬甚至上億的結(jié)點(diǎn)單元，具有并行處理與渲染的優(yōu)勢(shì)，并支持 VR立體顯示以及實(shí)時(shí)協(xié)同等功能?？赏瑫r(shí)加載多個(gè)案例EnSight可以一次加載多達(dá)16個(gè)案例。這些案例可以是任何格式，并能同時(shí) 查看FEA和CFD數(shù)據(jù)，采用CAD模型顯示CAE結(jié)果，并排比較多個(gè)運(yùn)行結(jié)果。輕松編寫內(nèi)部求解器接口許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開發(fā)自己的代碼，EnSight載入這些代碼數(shù)據(jù)很容易?？墒褂肊nsight讀取器API讀取數(shù)據(jù)，或者使用記錄器 API以EnSight本地格式輸

21、 出數(shù)據(jù)。高效的數(shù)據(jù)處理能力EnSight在處理大型和瞬態(tài)數(shù)據(jù)集方面性能卓著。優(yōu)化內(nèi)存使用，使 RAM運(yùn) 行更快更高效。出色的圖像質(zhì)量EnSight輸出性能卓越。無論是靜態(tài)圖像還是精湛的動(dòng)畫，EnSight幾乎能以你想要的任何格式高質(zhì)量輸出。圖像保真和紋理映射等特性使本已令人驚嘆的輸 出品質(zhì)得到加強(qiáng)。圖像能以任何分辨率輸出，非常適合大型、優(yōu)質(zhì)印刷品。完全可自定義的圖形窗口可根據(jù)需要改變圖形窗戶的尺寸，形狀和內(nèi)容，圖例，繪圖，注釋和模板可 完全自定義，并能添加嵌入式圖像，非常適合清晰地展示數(shù)據(jù)。多種動(dòng)畫功能通過時(shí)間步動(dòng)畫，還可以變換視圖，剪切面，等值面，透明度及其它方式繪 制動(dòng)畫，還可以將模型形

22、狀動(dòng)畫，以及在時(shí)間步之間插值用戶自定義功能EnSight有許多功能可以由用戶自定義，從簡(jiǎn)單的屬性設(shè)置和宏、到用戶自 定義工具、讀寫器和運(yùn)算函數(shù)，甚至可能打造自己的GUI圖形用戶界面)。批處理模式腳本能以批處理模式自動(dòng)運(yùn)行，可以創(chuàng)建任何視圖并保存為圖像，動(dòng)畫或三 維文件。利用此功能可使技術(shù)部門的生產(chǎn)效率有巨大的提高。3.2.4 葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)于葉輪機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可引入專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具如iSIGHT/OPTIMUS也可不考慮集成軟件，直接將優(yōu)化算法集成到設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)葉輪機(jī)械的優(yōu)化設(shè) 計(jì)。該優(yōu)化功能可實(shí)現(xiàn)將數(shù)字技術(shù)、推理技術(shù)和設(shè)計(jì)探索技術(shù)有效融合，并把大量的需要人工完成的工作由軟件實(shí)現(xiàn)

23、自動(dòng)化處理，代替工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行重復(fù)性的、易出錯(cuò)的數(shù)字處理和設(shè)計(jì)處理工作。通過集成仿真代碼并提供設(shè)計(jì)智能支持， 從而對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)可選方案進(jìn)行評(píng)估、 研究，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，顯著提 高產(chǎn)品性能。關(guān)于優(yōu)化算法，目前共有4大類，每一種算法都在設(shè)計(jì)過程中具有 特定的作用：(1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)：發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)，探索設(shè)計(jì)空間。(2)優(yōu)化算法：尋找滿足約束條件和目標(biāo)函數(shù)的最佳設(shè)計(jì)方案。ISIGH砒供了 多種優(yōu)化算法。(3)回歸建模：用近似模型代替運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)模型， 引入了三階和四階 響應(yīng)表面模型以及Kriging模型，以快速獲得解答。(4)質(zhì)量方法：尋找成功概率高并且對(duì)不確定因素不敏感的設(shè)計(jì)方案，保證穩(wěn)

24、健性和可靠性。通過集成上述幾種優(yōu)化算法，并實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)和仿真軟件之間的直接耦合，即可順利實(shí)現(xiàn)葉輪機(jī)械的基于設(shè)計(jì)-仿真-后處理分析及優(yōu)化的一體化平臺(tái)的設(shè)計(jì)， 幫助用戶快速有效地獲得理想的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，提高經(jīng)濟(jì)性。4.典型應(yīng)用實(shí)例介紹4.1 離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例本案例采用 CFturbo+PumpLinx+Isight搭建的一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過采用 CFturbo設(shè)計(jì)出較理想的初步設(shè)計(jì)模型，并自動(dòng)輸出至PumpLinx進(jìn)行性能分析，獲得數(shù)值計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)輸出至優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件Isight。通過在Isight中設(shè)置優(yōu)化參數(shù)和提取數(shù)值計(jì)算結(jié)果，Isight會(huì)有針對(duì)性地對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行改型優(yōu)化，自動(dòng) 調(diào)用CFturb

25、o和PumpLinx進(jìn)行“設(shè)計(jì)-仿真-優(yōu)化”的多次循環(huán)，以最少的設(shè)計(jì)次 數(shù)獲得最佳的設(shè)計(jì)模型，最終獲得符合要求的產(chǎn)品。4.1.1 離心泵設(shè)計(jì)離心泵設(shè)計(jì)點(diǎn)工況如下所示：? 流量：200m3h;?揚(yáng)程： 45m；?額定效率： 84%;? 轉(zhuǎn)速：2500RPM;?介質(zhì)：20c清水。4.1.1.1 葉輪設(shè)計(jì)在輸入設(shè)計(jì)參數(shù)之后，根據(jù)CFturbo內(nèi)置的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)可以自動(dòng)計(jì)算出葉輪幾 何特性參數(shù)。本設(shè)計(jì)中，先根據(jù)所需設(shè)計(jì)的泵基本性能參數(shù)，根據(jù) CFturbo內(nèi)置 的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)得到泵的詳細(xì)幾何參數(shù)和相應(yīng)的流體域模型，完成離心泵葉輪的三維 初步設(shè)計(jì)，如下圖所示：圖4.1葉輪設(shè)計(jì)模型4.1.1.2 蝸殼設(shè)計(jì)CFtu

26、rbo具有蝸殼設(shè)計(jì)模塊，將已創(chuàng)建的葉輪模型導(dǎo)入之后，即可便捷地展 開蝸殼的設(shè)計(jì)工作。最終生成的蝸殼模型如下：圖4.2蝸殼設(shè)計(jì)模型4.1.2 離心泵工作性能的數(shù)值仿真葉輪和蝸殼模型生成完畢后，在 CFturbo中直接啟動(dòng)PumpLinx可對(duì)設(shè)計(jì)模 型和優(yōu)化后的模型展開CFM析，預(yù)測(cè)離心泵的流體動(dòng)力特性。對(duì)單個(gè)工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，迭代 500次達(dá)到穩(wěn)定，所需時(shí)間為20分鐘。通 過仿真，獲得了離心泵初始模型的性能曲線，如下圖所示。從圖中可以看出，初 始設(shè)計(jì)模型在設(shè)計(jì)點(diǎn)的揚(yáng)程為 45.02m,效率為83.65%,揚(yáng)程達(dá)到了設(shè)計(jì)要求， 但效率偏低，需要在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。工圖4.3直流泵葉輪蝸殼

27、網(wǎng)格圖Flow： Frassure Pa圖4.4設(shè)計(jì)流量工況下壓力分布結(jié)果表4.1最終設(shè)計(jì)方案多工況性能預(yù)測(cè)結(jié)果流量系數(shù)0.40.60.81.01.2揚(yáng)程（m）50.7450.7949.8345.0236.17效率（）57.2872.6880.8783.6577.25圖4.5計(jì)算所得泵的性能曲線AI.耳赤N呂右：C5NUJmsLLawa的,MX徑向力隴肘間空化m（r060.65D.70.T5Time圖4.6多目標(biāo)的后處理結(jié)果分析1葉片上一點(diǎn)1L力隨時(shí)M變化3umai二 STOOD w 至5iocca0 75麻卜口已 IE 2Da 初 4M!Fr&amncy圖4.7多目標(biāo)的后處理結(jié)果分析24.1

28、.3 離心泵性能優(yōu)化4.1.3.1 離心泵優(yōu)化參數(shù)為了提高離心泵效率，在葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)中選取了10個(gè)可變參數(shù)作為優(yōu)化變量，如下表所示：表4.2離心泵優(yōu)化變量序號(hào)參數(shù)初始值變化范圍1吸入口直徑（m）0.1340.1280.1402葉輪直徑（m）0.2450.2400.2503葉輪出口寬度（m）0.02250.02150.02354前蓋板型線X坐標(biāo)0.850490.751Y坐標(biāo)000.15后蓋板型線X坐標(biāo)0.874250.751Y坐標(biāo)000.16葉輪前緣位置0.250.10.37葉輪包角（ ）118.71101308葉輪出口角（ ）20.31824各變量含義示意圖如下所示n sEiiin jsu片的

29、塔信Tt后忐根叩魏控制點(diǎn)圖4.8變量示意圖4.1.3.2 離心泵優(yōu)化流程優(yōu)化過程需要不斷進(jìn)行“設(shè)計(jì)一評(píng)估一改進(jìn)”的多次循環(huán)，通過一種搭積木 的方式快速繼承和耦合設(shè)計(jì)和仿真軟件，將所有設(shè)計(jì)流程組織到一個(gè)統(tǒng)一的邏輯 框架中，自動(dòng)運(yùn)行仿真軟件，并自動(dòng)重啟設(shè)計(jì)流程，從而消除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中的 重復(fù)性工作，使整個(gè)設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化和全自動(dòng)化。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如下圖所示。圖4.9優(yōu)化流程圖本優(yōu)化流程集成了優(yōu)化算法、CFturbo設(shè)計(jì)軟件、PumpLinx仿真軟件、文檔 修改、計(jì)算器和一個(gè)自編后處理程序，優(yōu)化流程圖中各部分功能如下：a) Opts：優(yōu)化算法；b) Parameters_pre參數(shù)預(yù)處理，在模

30、型修改過程中，部分參數(shù)存在聯(lián)系，可通 過關(guān)系式轉(zhuǎn)化成一個(gè)變量；c) CF_profile: CFturbo 批處理文件；d) CFturbo： CFturbo執(zhí)行程序，調(diào)用CF_profile生成的文件，對(duì)原模型進(jìn)行修改；e) Pump_profile：修改 PumpLinx 的執(zhí)行文件;f) PumpLinx：調(diào)用PumpLinx程序進(jìn)行計(jì)算；g) Result_post對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行后處理；h) Result:提取計(jì)算結(jié)果；i) Eff:計(jì)算離心泵效率。4.1.3.3 離心泵優(yōu)化算法a)遺傳算法全局搜索遺傳算法是今年來發(fā)展起來的智能型優(yōu)化方法，它模擬生物進(jìn)化過程，形成一套計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方

31、法。遺傳算法以統(tǒng)計(jì)的概率結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化選擇， 不需要求解敏度；作為基本設(shè)計(jì)變量為離散值，尤其對(duì)多峰值目標(biāo)函數(shù)以及多目 標(biāo)值優(yōu)化這類組合優(yōu)化問題求全局最優(yōu)解有獨(dú)到之處。遺傳算法的基本流程如下：(1)個(gè)體編碼：采用實(shí)數(shù)編碼，使得遺傳操作更直接，速度更快；(2)約束的處理和適應(yīng)度函數(shù)的選擇：采用罰函數(shù)法將約束的優(yōu)化轉(zhuǎn)位無 約束的優(yōu)化問題；(3)選擇和交叉：采用適應(yīng)度比例選擇算法從當(dāng)代種群中選取兩個(gè)父代個(gè) 體，當(dāng)滿足交叉概率時(shí)進(jìn)行交叉操作，產(chǎn)生的兩個(gè)新的子個(gè)體；(4)變異操作：為了改善解的均勻分布，操作中加入了均勻性分布指標(biāo)， 對(duì)于密集的個(gè)體，變異的范圍就大，而稀疏的個(gè)體，則只進(jìn)行小范圍 的變異

32、；(5)根據(jù)要解決的數(shù)學(xué)模型，確定算法終止運(yùn)行的準(zhǔn)則。b)序列二次規(guī)劃法局部尋優(yōu)在優(yōu)化問題中，序列二次規(guī)劃算法是解決小規(guī)模非線性規(guī)劃問題最優(yōu)秀的算 法之一。它在把目標(biāo)函數(shù)采用二次函數(shù)近似的基礎(chǔ)上進(jìn)行搜索。在最優(yōu)點(diǎn)附近， 序列二次規(guī)劃法具有超線性收斂速度及全局收斂性，能快速有效地解決復(fù)雜系統(tǒng) 的優(yōu)化問題。序列二次規(guī)劃算法的基本思想是在初始點(diǎn)處將非線性規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件展開為泰勒級(jí)數(shù)，其中目標(biāo)函數(shù)展開為泰勒級(jí)數(shù)時(shí)取至二次項(xiàng)， 而約 束條件函數(shù)展開為泰勒級(jí)數(shù)時(shí)取至一次項(xiàng)， 略去其余的高此項(xiàng)，這樣就把一個(gè)非 線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)二次規(guī)劃問題。NLPQL是序列二次規(guī)劃法中的一種，用來解決帶有

33、約束的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題， 并假設(shè)目標(biāo)函數(shù)和約束條件是連續(xù)可微的，這個(gè)技術(shù)最主要的有點(diǎn)事容易和一個(gè)非常健壯的算法一起使用，該算法很 穩(wěn)定。本案例是在離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)上施加遺傳算法全局搜索和二次序列規(guī)劃 方法局部尋優(yōu)的優(yōu)化策略組合，啟動(dòng)優(yōu)化平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化求解，最終獲得優(yōu)化后的 設(shè)計(jì)模型。4.1.3.4 離心泵優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化目標(biāo)：提高額定工況下離心泵效率，并保證揚(yáng)程的設(shè)計(jì)要求;約束：揚(yáng)程45m。下圖顯示了優(yōu)化軟件在計(jì)算迭代過程中離心泵效率的變化曲線。經(jīng)過323次迭代優(yōu)化計(jì)算后，尋找到目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)解，優(yōu)化過程結(jié)束，最終得到的離 心泵最優(yōu)效率為85.21%。0.S50 70 -0.75 -0.65

34、 -0.60 - *050100150200 2M 300350迭代次數(shù)圖4.10優(yōu)化過程曲線圖下圖為計(jì)算得到的原始泵模型和優(yōu)化泵模型的性能曲線的比較，其中黑色曲線為原始泵模型，紅色曲線為優(yōu)化后泵模型的性能曲線。從圖中可以看出，優(yōu)化后泵模型的揚(yáng)程和效率都得到了一定的提升，流量系數(shù)在0.4到1.2范圍內(nèi)，揚(yáng)程增大3-5m,效率提高1.56%-6.05%。外特性曲線表明，經(jīng)優(yōu)化后離心泵的水力 性能得到明顯改善。30 450 40.6iD.8101.2流量系數(shù)圖4.11優(yōu)化前后離心泵性能對(duì)比圖優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)各參數(shù)值見下表，從表中可以看出，離心泵結(jié)構(gòu)變化較大，其 中吸入口直徑、前后蓋板型線、包角和出口角

35、有了明顯的改變， 而葉輪直徑和出 口寬度變化較W 11表4.3離心泵優(yōu)化變量參婁變化范圍優(yōu)化前優(yōu)化后吸入口直徑0.1280.1400.1340.12896葉輪直徑0.2400.2500.2450.24772葉輪出口寬度0.02150.02350.02250.022563前蓋板型線X0.7510.850490.96311Y00.100.042959后蓋板型線X0.7510.874250.75604Y00.100.018489葉輪前緣位置0.10.30.250.14724葉輪包角110130118.7123.7葉輪出口角182420.319.03下圖顯示了原始模型和優(yōu)化后模型子午面對(duì)比情況，從對(duì)比

36、圖可看出，葉輪前緣位置更靠近進(jìn)口，葉輪對(duì)水做功較早。 前后蓋板型線改動(dòng)也較大，前后型線在中間位置靠攏，在流動(dòng)中間形成了較窄的空間圖4.12優(yōu)化前后子午面對(duì)比（左：優(yōu)化前，右：優(yōu)化后）4.2 壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例本優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例是基于“ CFturbo-TurboGrid-CFX-OptiSLang搭建的優(yōu)化設(shè)計(jì) 平臺(tái)。通過CFturbo進(jìn)行壓縮機(jī)葉輪的三維設(shè)計(jì)，通過對(duì) CFturbo設(shè)計(jì)模型應(yīng)用 代碼語(yǔ)言控制（CFT-Batch-Fiie,可將設(shè)計(jì)模型輸出TurboGrid進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然 后直接輸出至CFX進(jìn)行數(shù)值分析。應(yīng)用優(yōu)化軟件OptiSLang對(duì)上述流程進(jìn)行自動(dòng) 調(diào)用并優(yōu)化過程，最終獲得滿

37、足設(shè)計(jì)要求的壓縮機(jī)模型。4.2.1 壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程壓縮機(jī)設(shè)計(jì)要求：質(zhì)量流量0.11kg/s總壓比4.0 bar轉(zhuǎn)速90000rpm/在CFturbo中輸入上述設(shè)計(jì)參數(shù)完成壓縮機(jī)的三維設(shè)計(jì)，并輸出CFT-Batch-FilW 件。圖4.13 CFturbo模型設(shè)計(jì)及輸出4： CFturbo2 - TudwMtz /Number of nodes： 176394圖4.14 Turbogrid網(wǎng)格戈1j分春 TurboGridr QFturbo1,pe ri dic wallsA穩(wěn)態(tài)仿真，獲得結(jié)果,總壓比；*葉輪效率；功率口on A圖4.15 CFX數(shù)值分析在初始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用 OptiSL

38、ang進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。選取優(yōu)化參數(shù)并設(shè)置優(yōu)化區(qū)間，定義目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)約束相關(guān)優(yōu)化設(shè)置如下:選取相關(guān)優(yōu)化參數(shù)如下:幾何尺寸*吸入口直徑*葉輪直徑出口寬度 子午面參數(shù)軸向距離前蓋板型線后蓋板型線葉片屬性葉片個(gè)數(shù)沖角出口角長(zhǎng)葉片出口位置 短葉片出口位置 短葉片相對(duì)位置 葉片包角葉片形狀圖4.16優(yōu)化參數(shù)設(shè)置 設(shè)計(jì)目標(biāo)：葉輪效率最大。設(shè)計(jì)約束:葉片角度：20 功率：P 25.5kw總壓比：4.5 兀 5.54.2.2 壓縮機(jī)葉輪優(yōu)化具體流程1）初始設(shè)計(jì)模型：通過 CFturbo完成壓縮機(jī)葉輪設(shè)計(jì)，相關(guān)幾何參數(shù)為：N（葉片數(shù)）=16, D2 = 105.00 mm, Ds = 56.0 mm B2 = 3

39、.2 mm, 0 2 = 55.0 最 終通過CFXI得計(jì)算結(jié)果效率為78%。q = 78.0%圖4.18第一次優(yōu)化后模型3）第二次優(yōu)化：進(jìn)化算法。從第一次優(yōu)化后的最優(yōu)設(shè)計(jì)開始應(yīng)用進(jìn)化算法,圖4.17初始設(shè)計(jì)模型2）第一次優(yōu)化：敏感性分析和 ARSM （響應(yīng)面模型）。在搭建好的壓縮機(jī)葉型優(yōu)化平臺(tái)上，對(duì)4.2.1所述的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行 DOE式驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)生成的350個(gè)模型進(jìn)行CF而真。在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過建立響應(yīng)面模型，進(jìn)行了第一次優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果與之前相比，效率提高到了78.5%，初始設(shè)計(jì)Initial第次優(yōu)化（AREM：響應(yīng)面模型）-在完整的設(shè)訶區(qū)域?qū)ふ覂?yōu)化設(shè)訶點(diǎn)失敗的設(shè)計(jì)較多，優(yōu)化不完善Ds= 56.0 mmB2 = 3.2 mmp2 = 55.078.5%敏感性分析生成犯0個(gè)模型,50%失?。–Fturbo超過可以謖別）性能沒有提高的樣品很少D2 = 105.00mm0.尊音臺(tái)0W13尊B(yǎng)卡D2