基于伴随方法的离心泵叶轮优化研究

【摘要】随着现代流动测试技术及流动计算技术的发展,离心泵内流动结构及性能优化是目前水力研究的热点,也取得了众多研究成果。但是对离心泵的反问题及其优化研究进展缓慢,主要原因在于离心泵水力性能与内流道形状之间复杂的隐式关系。目前对于离心泵的水力优化方法主要包括基于演化算法的优化方法、基于梯度算法的优化方法、基于试验设计响应面优化方法等。基于演化算法及响应面方法的离心泵优化方法中,必须对每个样本进行目标函数的预估,设计变量维数较大时,要多次计算流场,计算量巨大。基于梯度优化方法的主要困难在于目标函数对设计变量的梯度矢量难以计算,计算量随设计变量的维数增大呈几何级数增大。随着流动理论的发展,伴随方法被广泛应用于流动的优化控制,A.Jameson提出采用伴随方法应用于航空翼型的优化,该方法能在求解具有流动约束问题的目标函数对控制变量的梯度时大大减小计算量。本研究提出采用伴随方法对离心泵进行反问题的优化研究。具体研究内容包括以下几个方面：1.应用伴随方法进行了离心泵叶轮水力反设计研究。推导了伴随方程及边界条件的数学表达形式,推导了最终目标函数梯度矢量表达公式及数值求解方法,流场采用雷诺时均纳维-斯托克斯方程(Reynolds-averagedNavier-Stokesequations,RANS)求解,伴随变量场采用基于三维Euler方程的伴随方程求解。通过网格生成,流场计算,伴随方程的数值求解,最终目标函数的梯度矢量求解,叶片骨线更新程序及优化算法等的有效结合,成功地发展了离心泵三维叶轮的水力反设计。2.详细推导了离心泵的反问题及其优化过程中所涉及变量的数学表达以及ComsolMultiphysics中系数型偏微分方程中各系数与伴随方程系数的一一对应关系,并建立了各自边界条件。3.研究了基于伴随方法和三维Navier-Stokes方程的优化设计理论,在笛卡尔坐标下详细推导了该优化设计理论,得到了笛卡尔坐标系下伴随方程的数学描述形式,并结合给定的目标函数,推导了相应的伴随方程边界条件,以及关键的目标函数的最终梯度表达。4.伴随方法求解的伴随变量场是基于离心泵模型CFD结果的耦合,本论文采用ComsolMultiphysics多物理场耦合软件进行了流场与伴随变量场的计算与结果的耦合,对以上两场结果应用MATLAB软件编制叶轮叶片骨线更新程序,程序稳定可行,并且经过适当修改还可用于其他的目标函数优化设计。5.以设计工况点的流量Q、扬程H所对应的的效率作为优化目标,由于优化过程中扬程H的变化较小,将作用在叶轮上的扭矩作为优化目标函数,以给定的直叶片为初始叶型,应用伴随方法得到了目标函数变分对控制变量的梯度表达,沿着目标函数变分对控制变量的梯度矢量的负梯度方向更新叶片形状,逐步寻优,最终找到目标函数取最小值时的最优设计。此时,模型离心泵的扬程,效率和扭矩趋于稳定,表明该算法已经收敛。算例计算结果表明提出的伴随方法应用于低比转速离心泵的叶轮优化设计方案是可行的。
【作者】郭苗；
【导师】刘宜；张人会；
【作者基本信息】兰州理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】离心叶轮；伴随方法；伴随方程；水力反设计；计算流体力学；优化设计；Euler方程；Navier-Stokes方程；

【参考文献】
[1]张文艺.工作流程管理系统的访问控制研究与实现[D].南京航空航天大学,机械电子工程,2004,硕士.
[2]赖梦瑶.广东省佛山市能效技术创新实证研究[D].华中科技大学,行政管理,2013,硕士.
[3]黄雅丹.我国上市公司财务报表审计与内部控制审计整合研究[D].吉林财经大学,会计学（专业学位）,2014,硕士.
[4]关福彪.绝缘子窑炉控制系统的研究与设计[D].内蒙古科技大学,控制工程,2014,硕士.
[5]郭宝宇.高职教师综合评分模型的研究[D].东北师范大学,应用数学,2012,硕士.
[6]屠文杰.国家所有权民法保护制度研究[D].辽宁大学,民商法学,2012,硕士.
[7]肖红.CAD图档综合管理系统[J].重型机械科技.1999(03)
[8]刘朝相.内陆水体叶绿素a浓度的遥感反演模型研究[D].首都师范大学,地图学与地理信息系统,2014,硕士.
[9]雷超.“加味四君子汤”抗衰老的实验研究[D].华中科技大学,老年医学,2013,硕士.
[10]孙文影.主管官员晋升意愿因素对城商行信用风险影响分析[D].山西师范大学,政治经济学,2013,硕士.
[11]赵旭.旋转式硅油减振器阻尼测试试验台的开发[D].华南理工大学,车辆工程,2014,硕士.
[12]唐小艳.我国免费师范生教育政策的限度与完善向度[D].华中师范大学,高等教育学,2013,硕士.
[13]谢征宇.高铁综合客运枢纽客流安全预警关键技术研究[D].北京交通大学,2012.
[14]孟繁臣.低维碳材料结构和稳定性的第一性原理计算[D].西南交通大学,2014.
[15]杨茜.工程车辆驾驶室ROPS-悬挂阻尼结构研究[D].太原科技大学,车辆工程,2013,硕士.
[16]侯雅男.剩余污泥高温微氧溶胞预处理及其发酵产酸性能研究[D].哈尔滨工业大学,微生物学,2013,硕士.
[17]丁心耿.大型预焙铝电解过程智能控制系统的设计与实现[D].中南大学,控制工程,2004,硕士.
[18]张晓东.第16届男篮世锦赛比赛位置效率的比较研究[D].山东体育学院,运动训练,2011,硕士.
[19]史永峰.RD公司医药物流发展研究[D].长安大学,物流工程,2013,硕士.
[20]董扬.后WTO时代的中国汽车产业探索[J].汽车工业研究.2005(07)
[21]杨波.基于生态旅游的南京城市“中央公园”建设思考[D].南京农业大学,风景园林,2011,硕士.
[22]孙文娟.中国邮政储蓄银行泰安市分行企业文化员工认同度调查与研究[D].西南大学,社会学,2014,硕士.
[23]杨慧娟.传统出版向数字出版的转型及创新研究[D].郑州大学,新闻与传播（专业学位）,2013,硕士.
[24]李庆连.“农民荒”问题研究[D].安徽大学,社会学,2013,硕士.
[25]黄定轩,韩建军.客户群体划分机理及其识别技术研究[J].科技进步与对策,2004,01:81-83.
[26]姚兴华.北店子引黄水闸安全鉴定技术研究与应用[D].山东大学,水利工程（专业学位）,2013,硕士.
[27]曹艾达.上海公共租界肉类供应卫生管理[D].华东师范大学,中国近现代史,2013,硕士.
[28]杨楠楠.2型糖尿病肾病患者血清TGF-β1、OPN的变化及其意义[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[29]托乎提.基于工作流的办公自动化系统的研究[D].河海大学,2003.
[30]冯莉.中国英语学习者的元认知要素与成绩的相关研究[D].西北工业大学,外国语言学及应用语言学,2004,硕士.
[31]陈蔡旸.mu阿片受体与TLR4信号通路交互调节在肝脏缺血再灌注损伤中的分子机制[D].苏州大学,麻醉学（专业学位）,2013,硕士.
[32]张斌.大型地下洞室块体稳定性确定性研究及软件实现[D].成都理工大学,岩土工程,2004,硕士.
[33]梁奎端.程控交换机房选址时对电磁环境的考虑[J].现代电信科技.1997(04)
[34]唐代春.锂离子电池正极材料LiFePO_4前驱体的制备及合成LiFePO_4/C的性能研究[D].中南大学,2011.
[35]王巍,强文义,梁斌.月球机器人运动学建模与运动收敛性分析[J].控制与决策,2002,06:904-907.
[36]姚军.增液行气汤治疗功能性便秘津亏肠燥气滞证的临床研究[D].湖南中医药大学,中医内科学,2013,硕士.
[37]蒋文明.基于废弃物资源化的新型复合隔声板设计及其性能[D].南昌航空大学,环境工程,2013,硕士.
[38]欧阳昱.Ethical and Practical Justification of Vegetarianism in Western Cultures[D].西安外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[39]桂林.蛋白核小球藻培养方式的比较及其叶黄素的提取检测[D].华中农业大学,农产品加工与贮藏工程,2001,硕士.
[40]刘振均,金觉森,胡伯康.宝钢1号高炉开炉实践[J].炼铁.1997(06)
[41]卫青青.博采众长自成一家[D].北京外国语大学,比较文学与世界文学,2014,硕士.
[42]沈双洁.数字档案馆项目风险识别和分析研究[D].南京大学,档案学,2013,硕士.
[43]刘洋.基于RS的西藏帕隆藏布流域典型泥石流灾害链分析[D].成都理工大学,岩土工程,2013,硕士.
[44]李晶晶.试论我国公诉案件中刑事和解的适用范围[D].广东财经大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[45]李昕.Toll样受体2、4和9在SLE患者外周血和骨髓单个核细胞的表达及其意义[D].天津医科大学,内科学（专业学位）,2014,博士.
[46]郑林锋,姜久春,王占国,马泽宇,马晨.锂离子电池电压在线与离线检测设计[J].电源技术,2015,01:26-29.
[47]李红星.我国石油企业境外经营规模发展期风险防范对策研究[D].首都经济贸易大学,企业管理,2014,硕士.
[48]张九岭.Nostotrebin 6的合成研究[D].西北大学,有机化学,2014,硕士.
[49]姜洪领.三类具有扩散的生态模型动力学分析[D].陕西师范大学,基础数学,2014,博士.
[50]姚志伟.功能化苯并噻唑类离子液体的制备及在催化反应中的研究[D].浙江工业大学,2013.