基于Kriging的燃油离心泵智能优化设计方法研究

为了快速化、智能化地实现燃油离心泵设计,提出一种改善期望准则下的Kriging智能优化方法。对离心泵的性能参数、轴面投影控制参数等进行分析,确定优化变量及优化目标。利用Python脚本调用实现对离心泵一维设计、三维建模、内流场仿真及智能优化设计等联合参数化仿真,完成叶轮型线实时修改及效率全局优化。其中,重点给出Kriging建模及遗传算法优化加点相结合的智能优化方法。算例验证表明：相比多项式响应面及径向基函数,所提出的优化方法对常规数学算例具有更好的效果;同时,仿真预测的优化泵效率为82.52%,与优化方法理论计算的效率（82.56%）高度一致,表明该方法能够实现离心泵的优化设计。此外,对比了优化前后离心泵的性能,在相同流量工况下优化泵的扬程和效率均高于原型泵,小流量工况的效率提高幅度较小,设计流量工况最大,提高了2.65%。且优化泵内部流动更为均匀,不利流动得到了一定改善。     

长中短叶片离心叶轮内部流动的数值模拟

1引言随着宇航技术的飞速发展,液体火箭发动机的燃料剂和氧化剂离心泵向高压、高速、高效化发展。为了减轻泵的重量,使结构紧凑,提高泵的功率密度,离心泵的单级扬程和转速要高,因此其比转速较低。但比转速较低的离心泵效率也较低,而且很容易出现小流量工作不稳定性。因此设计具     

航空燃油离心泵参数化设计方法研究综述

燃油离心泵是航空发动机控制系统的关键动力元件,结合当前航空燃油离心泵技术发展和设计需要,本文总结对比了离心泵典型参数化设计及优化设计方法。首先分析了离心泵四种参数化设计方法的技术特点及其局限,考虑到离心泵参数设计方法中存在的随机性和盲目性问题,进一步补充分析了离心泵的结构优化方法,包括基于启发式算法的全局优化方法、基于梯度的优化设计方法和基于代理模型的优化设计方法三类,并指出了三类优化设计方法亟待解决的科学和技术问题。在此基础上,通过分析国外航空发动机燃油离心泵的发展状况,指出了我国航空发动机燃油离心泵所面临的技术挑战、问题和技术发展方向,并立足于现有国内设计基础,给出了夯实我国航空燃油离心泵设计能力需开展的基础性研究工作。     

LRE离心泵优化设计

建立了低比转速LRE离心泵机组性能预测的数学模型,用该模型对10种LRE离心泵进行了性能预测,效率和扬程的预测值和试验值之间的相对误差均在4％之内。用该模型对AM-7H泵、O泵和AM-1R泵和AM-50泵进行了以效率为目标函数的优化设计,结果表明:在保证系统具有高汽蚀性能的前题下,这四种泵的效率可分别提高6.5％、5.22％、5.2％和4.41％。     

复合叶片对小流量工况下燃油离心泵非定常特性的影响

为了研究长中短复合叶片对小流量工况下燃油离心泵非定常特性的影响规律,基于CFD技术对某型燃油离心泵进行了非定常数值模拟。首先,分别建立原型方案和带有长中短复合叶片的优化方案的离心泵三维模型和网格模型。其次,基于RNG k-ε湍流模型,对两个方案中泵内流动非定常特性进行数值计算。仿真结果表明：长中短复合叶片减弱了叶轮流道内的大尺度漩涡,降低了叶轮的出口滑移,使得压力分布更加均匀。同时,叶轮与隔舌的动静干涉造成了蜗壳内一定程度的压力脉动产生,且长中短复合叶片相对较低。另一方面,小流量工况下,优化方案中离心泵的扬程为1826m,效率为26.9%,比原型方案中离心泵的扬程和效率分别提高了3.6%和2.6%。     

燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析

针对燃油离心泵高效、高抗汽蚀优化设计问题,进行了基于损失模型和SQP算法下的多目标优化设计并进行了仿真应用。首先,考虑叶轮、蜗壳等通流部件内的水利损失、容积损失以及机械损失,建立表征离心泵效率的综合损失模型;结合基于必须汽蚀余量计算下的汽蚀表征函数以确定离心泵多目标函数。进而,利用SQP算法构造合理的适应度函数,结合约束条件确定离心泵多目标优化设计的数学模型。其次,对某型燃油离心泵进行基于SQP算法的优化设计并与其他常用优化算法进行对比。可以看到：各优化算法的最优结果几乎相似,但SQP算法对多维非线性方程组优化求解所用的迭代步数相对较少。最后,利用CFD技术进行仿真及外特性预测,以验证基于SQP算法下燃油离心泵多目标优化设计的有效性。结果表明：相比传统方法设计的原型离心泵,基于SQP算法优化的离心泵内流场压力分布相对均匀,流动损失更低,且进口流动有利于抗汽蚀性能;从外特性结果来看,基于SQP算法优化的离心泵高效工作区域相对宽广,必须汽蚀余量相对较低,抗汽蚀性能有所改善。     

小流量高速离心叶轮参数设计和三维造型

对小流量高速离心叶轮一维气动优化设计及快速三维造型方法进行了研究,并发展了相应的计算程序.采用所述的方法,以Krain叶轮为基准对象,在保证原设计点性能的情况下进行了叶轮的全新参数设计和快速三维造型.造型中对叶片中心线进行了曲率优化控制,使得叶片符合气动性能优良的“S”型叶片.最后采用经校验的CFD软件对新设计的叶轮进行了全三维数值验证.数值验证结果显示:在设计流量时等熵效率为93.9%,增压比为4.794,与Krain叶轮设计点CFD验证的结果偏差分别为0.24%和2.14%,验证了该设计方法及程序的可行性.      

基于设计变量相关性的翼型设计方法

针对传统设计方法缺乏物理背景等不足,利用流动数值仿真及相关性分析的手段,对几何外形与流动变化的相关性规律进行经验总结,并将这种设计经验进行数值化描述后,引入到优化设计中,建立新的气动外形优化设计模型,使设计模型具有一定的物理意义,从而提高设计效率,改善设计结果。通过高速自然层流翼型HSNLF0213的优化设计,利用相关性的分析结果,建立具有物理意义的优化模型,开展了基于单点优化设计且同时满足多点设计要求的设计方法的应用研究,对这种设计方法及思路进行了初步的探索。设计结果证明了该方法的可行性。     

舰船燃气轮机间冷系统流动参数优化分析

在传统换热器的设计理论和方法的基础上,进行了燃气轮机间冷系统的优化设计。使用VB程序语言和VS平台开发了辅助间冷系统设计程序,利用该程序进行了某参数条件下燃气轮机间冷系统的初步设计,并分析了不同液侧进口参数对间冷系统性能的影响。分析结果表明：乙二醇水溶液流量和海水流量的增加都可以提高间冷系统性能,但流量不是越大越好,应根据条件合理选择流量;海水温度对间冷系统效率的影响很显著,优化设计时要加以考虑。     

10MW风电机组空气动力设计初探

从风电机组系统角度探索了我国未来设计10MW风电机组在空气动力设计方面的一些问题及对策。从分析风能分布与风速分布关系以及风电机组风能利用系数随风速变化关系出发,研究了风轮基本参数确定方法,并以动量叶素理论为基础,建立了优化设计模型对10MW叶片外形优化设计进行了初步探索,并对风轮性能进行了评估,完成了10MW机组叶片及风轮外形建模。提出了通过适当提高叶尖线速度及拓宽风轮转速范围,可以达到优化机组塔头质量,节约成本,提高年发电量等多重有利目标的观点。     

Experimental study of an insert and its influence on churning losses in a high-speed electro-hydrostatic actuator pump of an aircraft

The speed of an Electro-Hydrostatic Actuator (EHA) pump can recently reach 20000 r/min, and its churning losses increase obviously with an increasing speed, which results in low efficiency and thus increasing heat in aircraft EHA systems. In order to reduce churning losses at high speeds, more attention should be given to the design of an insert. In this paper, the effect of an insert with different design parameters on churning losses is investigated through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation and experiments by calculating the difference between churning losses torques of the test pump with and without the insert based on a high-speed churning losses test rig. Analytical results show that the gap between the insert and the cylinder is critical for churning losses reduction. It is found that the churning losses of the test pump can be reduced with a decreasing gap between the cylinder block and the insert at high speeds. This is because the insert can decrease the turbulence occurrence at high speeds. The results can be used for flow field analysis and optimization of the high-speed EHA pump and provide a new method for improving efficiency of high-speed EHA pumps.     

基于高维机器学习方法的离心泵扭曲叶片优化

提出将高维表示方法与机器学习中的支持向量机方法结合对离心泵扭曲叶片优化.选用1台中比转速离心泵为研究对象,通过对扭曲叶片3条叶片型线的参数化,分离控制变量并确定代理模型的训练空间.经过对离心泵扭曲叶片水力模型的算法学习,得到以叶片型线参数为自变量,效率为目标函数的离心泵代理模型,运用遗传算法求解并反馈叶片型线参数.采用...     

Calculation of energy parameters in high-speed centrifugal pumps of low specific speed

The specific features of the energy parameter calculation for centrifugal low specific speed pumps in operation on different working fluids in a wide range of viscosity variation are considered. The relations for conversion of the pump parameters obtained during model tests to operational parameters are presented.     

汽心泵特性分析与计算方法

本文给出汽心泵压头特性、汽心变化、泵内水力损失、集流器内压力分布和径向力等主要特性的计算法和程序,可估算新泵初始设计的特性、亦可对现有泵的特性近似计算。     

离心泵双密封环平衡系统泄漏特性预测方法研究

为了准确预测离心泵双密封环平衡系统的泄漏特性,通过分析该平衡系统的几何特征和液体流动特点,对其主要过流部件进行简化,将泵腔液体流动简化为由圆周剪切流和径向压差流叠加而成的轴对称二维粘性层流运动,同时将密封环间隙液体流动简化为两平行平板间的定常不可压缩粘性流体层流运动.然后,利用N-S方程分别建立了泵腔和密封环间隙的液体...     

带引射器的多级导流叶轮航空燃油离心泵数值模拟

以带引射器的多级导流叶轮航空燃油离心泵为研究对象,开展了该型离心泵性能数值模拟研究.通过数值模拟结果与试验数据的对比,验证了基于Pumplinx下该型离心泵性能仿真的正确性;通过分析离心泵轴向与径向中间截面的压力分布研究内流场特性,并在该泵最差气蚀工况下的分析了气蚀特性,给出完全气蚀状态下的气液两相分布以及预测了离心泵的Δh-H特性曲线.研究表明:带引射器的多级导流叶轮航空燃油离心泵数值模拟的扬程效率以及气蚀特性曲线与试验数据吻合.在小流量工作范围下内流场压力分布均匀稳定,增压效果明显;当进口压力为0.018MPa时产生完全气蚀状态,小于技术要求最小进口压力0.027MPa,因此该泵的工作要求范围下不会产生气蚀现象.      

基于改进Bezier曲线的复合叶轮式离心泵参数化设计及性能仿真

针对复合叶轮式燃油离心泵的高效设计问题,提出一种基于改进Bezier曲线的叶轮参数化设计方法,并进行了试验验证及性能仿真分析研究。通过引入比例系数来约束五点四次贝塞尔样条曲线的控制点参数,进而采用该改进的Bezier曲线方法完成叶轮的轴面轮廓型线设计。结合一级辅助叶片偏置设计方法,完成复合叶轮的参数化设计。基于上述方法,以某型燃油离心泵为例进行设计及三维建模。最后,通过外特性试验验证设计方法和仿真方法的有效性,并对所设计的复合叶轮式离心泵与普通叶轮离心泵进行性能仿真对比分析。结果表明：仿真与试验预测的扬程和效率结果基本吻合,所提出的设计方法和采用的仿真方法能够有效完成复合叶轮式燃油离心泵的参数化设计和性能仿真。此外,相比普通叶轮离心泵,复合叶轮式燃油离心泵压力分布相对均匀,无明显的流动损失,且进口流动有利于抗汽蚀性能。     

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.