1、目录 1. 优化设计系统技术方案 简介 2. 支撑软件介绍 3. 设计优化案例分享 4. 小 结 2 优化设计系统技术方 案简介 3 参数 化设计 CFturbo 网格生成 ICEM-CFD, TurboGrid, Pointwise, Gambit, CAD Catia, SolidW orks, UG-NX, ProE, BladeGen, 生产制造 CFD/FEM 仿真 PumpLinx, ANSYS-CFX, Star CCM+, CFdesign, 快速样机成型, 验证 设 计 、 仿 真、优化、 制造一体化 优 点：减 少对工 程师设 计经验 的依赖 ， 缩短 设计周 期，提 高
2、达到设 计目标 的可能 性。 一 键集 成系 统分 析 软件Flowmaster ， K U L I , 支撑软件 介绍 4 三维设计软件 ：Cfturbo 数 值 分 析 软 件：PumpLinx Ansys-Turbogrid 、ICEM-CFD 、 Ansys- CFX 、Ansys-Fluent 优化集成软件 ：Isight 、OptiSLang 5 流量、 压头、 转速 流体介质 入口边界条件 设计点 参数 CFturbo 连续性方程 动量方程 速度三角形 大量实际设计 经验 用户自身设计 经验 1. 基本的流体方程 2. 经验函数 实 现 模 型 参 数 化设计软件CFturbo
3、仿真软件 6 网格划 分 数值模 拟 外特性 曲线 优化软件 7 目标（因变量） ：产品的 某一特性，如效率、压升 等 约束 ：在满足某些参数要 求下，达到目标值最优 参数（自变量） ：影响目 标值的一些设计参数，如 包角，安放角，叶片数， 叶轮进、出口直径等 概念设计 建立一体化设计系统 选择探索方案 改变输入文件的设计变量 分析仿真 获得输出文件的目标变量 满足设计 要求 最终设计方案 Y N 建立设计流程 构建探索方案 仿真迭代分析 做出方案决策 明确设计目标 优化设计系统 8 Cfturbo 三维设计 PumpLinx 数值模拟 建立目标函数 与设计参数之 间的关系 提取目标函数 燃油
4、系统- 泵 仿真 集成 接口 开发 三维CFD 计算泵PQ 曲线 一维热流体仿真评估系 统性能 一维三维 仿真数据 接口 通过接口软件对离心泵的性能参数进 行管理。 通过接口软件将泵的性能参数传递到Flowmaster 数据 库中。 通过接口软件将泵的性能参数直接赋 值到相应的 泵设备中 。 从三维CFD 仿真 泵的性能 参数到Flowmaster 泵元件设 置的一键 切换。 一维三 维仿真 集成 接口 功能 一、离心泵优化 11 设计参数： 流量：200m /h ； 扬程：45m ； 转速：2500RPM 介质：20 清水 离心/ 混流/ 轴 流泵叶轮设计 蜗壳设计 1 、 用CFturbo
5、 进行初始设计 一、离心泵优化 12 网格 结果 2、数值模拟 13 目标：提高额 定工况下离 心泵效率 约束：扬程 45m 叶轮直径0.25m 参数： 1. 叶轮主要外形尺寸 ： 吸入 口直径 叶轮出口直径 叶轮出口宽度 2. 子午面形状 ： 前盖板型线 后盖板型线 3. 叶片形状 ： 叶片进口位置 叶片包角 叶片出口角 一、离心泵优化 3、优化定义 一、离心泵优化 14 4 、优化策略 遗传算法（GA, Genetic Algorithm ）是Holland 在60 年代提出的，主要借助 生物进化过程 中“适者生 存”的规 律，模仿生 物进化过 程中的遗传 繁殖机 制，对优化问 题解空间的
6、 个体进行 编码（二进 制或其他 进制），然 后对编 码后的个体种 群进行遗传 操作（如 ：选择、交 叉、变异 等），通过 迭代从 新种群中寻找 含有最优解 或较优解 的组合。 一、离心泵优化 15 序列二次规划算法的 基本思想是在 初始点处将非线 性规划问题的 目标函 数和约束条件展开为 泰勒级数 ， 其 中目标函数展开 为泰勒级数时 取至二 次项 ， 而约束条件函 数展开为泰勒 级数时取至一次 项 ， 略去其余 的 高 次 项 ， 这样就 把 一个非 线性 规划问 题 转化为 一个 二次规 划 问题 。 5 、优化策略 一、离心泵优化 16 1. 在 满 足扬 程的 约束 下，经 过323
7、 次迭代 ，额 定点 效率提 高到 85.21% ，提 高了1.56% ； 2. 离心泵 的扬 程和 效率曲 线都 在原 来基 础上有 所提 高， 各工 况 点 ， 扬程 提高 了5m 以上， 效 率提 高在2% 左右 。 6 、 优 化 结 果分 析 一、离心泵优化 17 参数 变化范围 优化前 优化后 吸入口直径 0.1280.140 0.134 0.12896 叶轮直径 0.2400.250 0.245 0.24772 叶轮出口宽度 0.02150.0235 0.0225 0.022563 前盖板 型线 X 0.751 0.85049 0.96311 Y 00.1 0 0.042959
8、后盖板 型线 X 0.751 0.87425 0.75604 Y 00.1 0 0.018489 叶轮前缘位置 0.10.3 0.25 0.14724 叶轮包角 110 130 118.7 123.7 叶轮出口角 18 24 20.3 19.03 操作步骤 1. 接口软件创建新泵，指定泵名称。 2. Flowmaster 软件中创建Network ，对其中的离 心泵进行命名，要求Network 中的离心 泵名称 和接口软件中的泵名称对应。 3. 点击“Flowmaster 模型列表”，刷新出 Flowmaster 中的项 目目录 ，选择 目标Network 。 4. 点击一键赋值，实现离心泵性
9、能曲线 的设置 。 一维三 维仿真 集成 一键 赋值 泵性能曲线与 泵元件自动关 联并赋值 2. 软 件工具 a ）CFturbo batch XML optiSLang 二 、轴流泵 优化 二、轴流泵优化 2. 软 件工具 b ）Pumplinx CFD 模型 信息： 29200 节点 200000 网格 二叉树网格 求解速度快，精度 高 进口段 转子 出口段 2. 软 件工具 b ）Pumplinx 二、轴流泵优化 3. 参数 Hub shroud 二、轴流泵优化 3. 参数 二、轴流泵优化 4. 优化设计 设计 点参数 ： 设计 流量Q=1.476m3/s 总压差 转速=780rad/m
10、in 水 ，无预旋 设计 目标 水力 效率 最大 限制 总压差 范围内 二、轴流泵优化 4. 优化设计 二、轴流泵优化 *.spro,*.stl B2 90 ? 5. 结果 部分优化设计模型 二、轴流泵优化 5. 结果 敏感性分析/ 样 本数量 二、轴流泵优化 5. 结果 敏感性分析/ 预 测系数CoP Q- 压差 P- 二、轴流泵优化 5. 结果 敏感性分析/ 初 始模型最 佳预测MOP 二、轴流泵优化 响应面： S1,z 5. 结果 敏感性分析/ 平 行坐标绘 图 二、轴流泵优化 5. 结果 优化 二、轴流泵优化 算法 采样数 分析时间 分析时间/ 样 本数 效率 进化算法（EA ） 33
11、0 72.2h 13.1min 69.9%+5% 自适应响应面方法 （ARSM ） 540 26.3h 14.0min 69.3+4.4% 电脑配置： 2*Intel Xeon 3.07 GHz ，6 cores 64GB RAM 2 核并行 5. 结果 优化 二、轴流泵优化 33 二、轴流泵优化 5. 总结 CFturbo+PumpLinx+optiSLang PumpLinx CFturbo 50% 1 、 用CFturbo 进行初始设计 34 三、 跨声速离心压气 机 优化 设计点: 质量 流 量：m=0.11kg/s 总压比：= 4 转速：n = 90000 min-1 35 导出模型
12、进行CFD 仿 真 计算 1 、 用CFturbo 进行初始设计 三、 跨声速离心压气 机 优化 36 2 、 网格划分 叶 轮 网 格：300 万 蜗 壳 网 格：50 万 三、 跨声速离心压气 机 优化 37 2 、CFD 数 值 模 拟 参 数设置 模型处理 入口条件： 总压 1bar 温度 20 C 出口条件： 质量流量 0.11kg/s 定常求解 理想气体 三、 跨声速离心压气 机 优化 38 3 、CFD模拟结果 总压比 功率 分级效率 叶轮效率 3.8 24260 0.61 0.81 三、 跨声速离心压气 机 优化 压 比 达 不到设计 要求， 需进行优 化设 计 39 CFtu
13、rbo 叶轮设计 TurboGrid ICEM-CFD CFX 4 、optiSLang优化平台搭建 三、 跨声速离心压气 机 优化 40 目标（因变量 ） 效率 最大 约束 功 率 消 耗：P i 25.5 kW 总压比 ： 4 参数（ 自变量 ） 主要 尺寸 吸入 直径 叶轮 直径 出口 宽度 叶片特性 叶片数 叶片出口安放角 叶片中心线 主叶片和复合叶片头部设计 复合叶片的相对位置 主叶片以及复合叶片包角 子午线轮廓 轴向 高度 5 、优化定义 三、 跨声速离心压气 机 优化 41 优 化前 优 化后 叶轮直径 105mm 105.61mm 吸入口直径 56mm 53.71mm 出口宽度
14、 3.2mm 2.85mm 叶片数 16 16 叶片角 55 58.6 包角 57 63.7 设计符合所有 约束 相较于改造前分级效 率提高5% 不 到 三 天完成大约600 个设计 总压比P 功率消耗p 效率叶轮效率 imp 3.8 24260 0.61 0.81 4.0 23540 0.66 0.82 6 、 优 化 设 计结 果 三、 跨声速离心压气 机 优化 42 优化前 优化后 7 、 优 化 设 计前 后对比 三、 跨声速离心压气 机 优化 43 优化前 优化后 7 、 优 化 设 计前 后对比 三、 跨声速离心压气 机 优化 44 优化前 优化后 7 、 优 化 设 计前 后对比
15、 三、 跨声速离心压气 机 优化 45 优化前 优化后 7 、 优 化 设 计前 后对比 三、 跨声速离心压气 机 优化 小结 46 Cfturbo 与CFD 软件如PumpLinx 具有无缝集成接口，可快 速实现设 计 仿真的一体化 设计与分析 ； 大多数优化软 件均可集成CFturbo 和 相关联的CFD 分析软 件如 PumpLinx ，实 现设计仿真 优化的一 体化设计方 案； PumpLinx 可与 系统分析软 件Flowmaster 双向耦 合，快速 实现数据传 递，加速对流 体系统的性 能分析和 部件选型； 该优化设计系 统可减少设 计人员对 设计经验的 依赖，提 高性能最优 结果的可能性 ； 缩短 产品研发 周期，提高 经济效益 。
