基于NSGA-Ⅱ遗传算法的高比转速混流泵的多目标优化设计

摘要

伴随国家战略针对水利工程的大力推进，各种基建设施对混流泵的需求日益增大。高比转速混流泵作为一种较为理想的泵型，具备性能稳定，高效范围宽等优点。而叶轮作为关键过流部件，直接影响到泵性能好坏，故针对其性能的优化提升显得尤为重要。本文以一高比转速混流泵为研究对象，从水力设计，内部流场分析以及性能优化方面进行了全面的探索，为高比转速混流泵的结构改良提供了一定的理论借鉴意义。本文主要研究内容有:
　　1.搜集整理了国内外关于混流泵的研究现状，以及叶片优化技术等相关领域的研究。
　　2.基于二元设计理论和FORTRAN软件编程，结合以沿轴面流线速度矩分布规律为基础的反问题设计方法，采用线性速度矩分布规律，实现对叶轮叶片的水力设计;参照轴流泵导叶设计方法完成导叶的水力设计。整体上完成高比转速混流泵的水力设计工作，并生成三维实体水力模型。
　　3.针对设计完毕的模型泵，采用ANSYS-CFX和SST湍流模型对其内部流场进行定常与非定常计算，并与实验数据对比，完成外特性验证。全面分析了模型泵内部速度场与压力场的分布特征。在模型泵内设置16个监测点，通过非定常计算获得各监测点的时域与频域特性，初步揭示内流场的压力脉动规律。
　　4.针对优化环节中各个步骤的理论基础进行详细介绍，包括叶片参数化方法、试验设计理论、神经网络理论和NSGA-Ⅱ遗传算法原理。从理论层面解释了各个环节的可行性与必要性。
　　5.以模型泵水力效率和扬程为优化目标，采用给定沿轴面流线的速度矩分布规律来实现对叶轮叶片的间接参数化，以描述速度矩分布的四次多项式的三个参数为优化变量。采用均匀试验设计安排样本空间，RBF神经网络拟合优化变量与优化目标间的内在映射关联，最后结合NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优。针对优化所得的Pareto解集，取其中效率最优个体和扬程最优个体与初始模型进行对比，全面比较了优化前后个体间流场特征的差异。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 混流泵研究现状

1．2．1 混流泵试验及理论研究

1．2．2 混流泵的数值研究

1．3 叶片优化技术的研究

1．3．1 混流泵叶片设计方法的研究

1．3．2 叶片优化方法的发展与研究

1．4 本文主要工作及内容

第二章 高比转速混流泵模型的水力设计

2．1 二元叶片设计理论

2．2 速度矩分布规律简介

2．2．1 速度矩的分布形式

2．2．2 速度矩的求解方法

2．3 叶轮水力设计

2．3．1 基本参数的确定

2．3．2 轴面投影图尺寸确定

2．3．3 轴面流线的绘制

2．3．4 轴面速度的求解及轴面流线上速度矩的计算

2．3．5 叶片的加厚处理

2．3．6 叶片绘型

2．3．7 木模图绘制

2．4 导叶水力设计

2．4．1 轴面投影图确定的方法

2．4．2 基本参数的计算

2．4．3 叶片加厚方法

2．4．4 叶片绘型及导叶木模图

2．5 模型泵的三维实体建模

2．6 本章小结

第三章 高比转速混流泵内部流场分析

3．1 流场计算方法简介

3．1．1 流场计算原理介绍

3．1．2 计算任务

3．1．3 计算域模型及网格无关性验证

3．1．4 边界条件设置

3．1．5 求解器设置

3．1．6 监测点设置

3．2 外特性验证

3．3 定常数值模拟结果分析

3．3．1 泵内压力场分布

3．3．2 泵内速度场分布

3．4 非定常流场压力脉动分析

3．5 本章小结

第四章 基于流场计算的优化方法介绍

4．1 叶片参数化

4．1．1 叶片参数化概述

4．1．2 速度矩参数化介绍

4．2 试验设计

4．3 神经网络

4．3．1 神经网络概述

4．3．2 BP神经网络

4．3．3 RBF神经网络

4．4 NSGA-Ⅱ遗传算法

4．4．1 多目标优化问题概述

4．4．2 Pareto支配关系及其最优解定义

4．4．3 NSGA-Ⅱ遗传算法原理

4．5 本章小结

第五章 叶轮叶片的多目标优化

5．1 叶片参数化

5．2 优化问题描述

5．3 试验设计

5．3．1 均匀试验设计

5．3．2 样本空间求解

5．4 神经网络预测

5．4．1 样本数据归一化处理

5．4．2 神经网络建模及预测结果对比

5．5 NSGA-Ⅱ遗传算法测试验证

5．6 优化结果

5．6．1 优化结果基本分析

5．6．2 优化前后流场对比分析

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文