离心压缩机蜗壳多目标优化设计研究

摘要

离心压缩机广泛应用于工农业各个领域。气体从进气通道被吸入离心压缩机后，机械能转化为气体自身势能，从而压力提高。蜗壳作为离心压缩机的重要静止部件，它的作用是将叶轮或扩压器流出的气体输送至排气管道。流经排气蜗壳时尽管没有新的能量加入气体中，但在蜗壳内部气体不同形式的能量之间会进行相互转化。针对离心压缩机，蜗壳能具有良好的扩压作用非常重要，即气体通过蜗壳速度降低，静压提升。蜗壳内部流动情况十分复杂，气流在沿着蜗室流动的同时，不断有气体由叶轮（或扩压器）进入蜗壳。由于蜗壳截面有对称性和不对称性，在横截面上将产生不同的漩涡结构。蜗壳内部的漩涡流动还可能向上游发展，与叶轮或扩压器流动相互作用，将直接影响离心压缩机的整体性能。因此为了提高离心压缩机的效率和压缩能力，有必要对离心压缩机排气蜗壳进行更加深入的探究。
　　实际蜗壳内部流动中同时存在着多个彼此联系甚至彼此矛盾的性能参数，而在国内外研究中对蜗壳性能的描述和优化通常以单个目标参数作为衡量指标或者分别对几个目标参数独立地进行研究，不能全面的描述蜗壳整体性能，忽略了目标参数之间的相互联系，为此需要一种能全面描述目标整体性能的多目标优化方法。
　　本项课题结合Pareto多目标优化算法和数值模拟方法对离心压缩机排气蜗壳进行优化设计，利用Matlab软件构建了多目标优化平台，并详细分析了优化前后蜗壳内部流动性能，主要的研究内容如下：
　　1.理解并掌握 Pareto多目标优化算法的基本原理与数学表达方式，寻找一种简单快捷的多目标优化方法，并在Matlab平台上编写出相应的算法程序。使用实际的数学案例验证算法程序的有效性，并根据反馈加以改进，来降低算法的时间复杂度。
　　2.在分析蜗壳性能的基础上，寻求降低蜗壳内部流动损失的方案措施并进行蜗壳外形结构的改进。设定总压损失系数和静压恢复系数为目标参数，在Matlab软件上进行整个优化平台的运行，得到优化后蜗壳的几何数据，分析它的造型以及流动参数，验证优化平台的有效性。
　　3.将优化前后的蜗壳和离心压缩机的进口导叶、叶轮（动叶）、有叶扩压器以及出流管连接进行网格划分，进行整体全流道离心压缩机的数值计算，将收敛结果与优化前的蜗壳进行对比分析，研究其内部的流动特性。
　　4.对优化前后离心压缩机与出流管不同角度的组合进行数值计算分析，研究出流管角度对离心压缩机性能的影响。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 多目标优化方法及其数学案例验证

2.1 多目标优化理论

2.2数学案例验证

2.3代理模型的运行以及与多目标优化算法的衔接

2.4 本章小结

第三章 离心压缩机蜗壳气动优化系统的建立

3.1 参数化建模

3.2 优化系统中网格生成

3.3优化系统中蜗壳的CFD计算与自动分析

3.4 本章小结

第四章 离心压缩机蜗壳优化响应与计算方法

4.1优化系统响应

4.2模拟计算方法

4.3网格划分与边界条件设定

4.4本章小结

第五章 离心压缩机全流道计算结果分析

5.1设计工况

5.2 非设计工况

5.3 不同出流管角度的影响

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果