一种基于代理模型的离心式喷嘴结构参数优化及设计方法

摘要

本发明公开了一种基于代理模型的离心式喷嘴结构参数优化及设计方法，涉及喷水减温阀制造领域，包括以下步骤：利用离心式喷嘴过流部件的结构参数进行建模，根据建模结果得到离心喷嘴结构参数中的主导参数；利用正交实验获取所述主导参数的样本点，对所述样本点进行CFD计算，得到所述样本点对应的响应值；根据所述样本点以及所述响应值构建代理模型并对所述代理模型进行精度检测，当所述代理模型满足精度要求后建立优化模型，所述优化模型用于以增大雾化锥角和流量系数为目标的雾化性能优化；利用粒子群算法对所述优化模型进行寻优，得到雾化性能最优的结构参数组合；本发明在寻找离心式喷嘴最佳优化组合结构参数时能降低实验难度，节约计算资源。

说明书

技术领域

本发明涉及喷水减温阀制造领域，具体涉及一种基于代理模型的离心式喷嘴结构参数优化及设计方法。

背景技术

离心喷嘴是喷水减温阀的重要组件，具有结构简单，运行可靠的优点。在温度调节部件中，减温水通过喷嘴形成雾化液滴，进入温度调节部件的流道后与高温蒸汽接触，吸收热量迅速汽化，以达到降低蒸汽温度的目的。喷嘴的结构和形状直接影响雾化性能的好坏，不合理的结构参数选择会影响减温过程的效率。如果将所有的影响因素都考虑在试验范围内，那必将会增大试验难度，费时费力，若合理选取试验中影响权重较大的因素来进行试验则会降低试验难度，节约计算资源。

发明内容

本发明在于提供一种基于代理模型的离心式喷嘴结构参数优化及设计方法，解决寻找离心式喷嘴最佳优化组合结构参数时实验难度大，浪费计算资源的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

一种基于代理模型的离心式喷嘴结构参数优化方法，包括以下步骤：

S1：获得离心喷嘴结构参数中的主导参数，确定主导参数的参数变量范围；

S2：利用正交实验获取主导参数的样本点，基于样本点获得样本点对应的响应值，其中，响应值包括雾化锥角响应值和流量系数响应值；

S3：根据样本点以及响应值构建代理模型，对代理模型进行精度检测，当代理模型满足精度要求后得到优化模型；

S4：利用粒子群算法对优化模型进行寻优，得到雾化性能最优的结构参数组合。

进一步的，步骤S1包括以下子步骤：

S11：对离心式喷嘴过流部件进行水力设计，增加一个外流域，利用结构参数建立三维模型；

S12：对三维模型进行仿真分析，得到仿真结果；

S13：根据仿真结果，在各结构参数中选取对离心式喷嘴雾化性能影响最大的结构参数作为主导参数，并确定主导参数的参数变量范围。

进一步的，主导参数为：喷嘴出口孔径、旋流室角度以及旋流槽角度。

进一步的，步骤S2包括以下子步骤：

S21：根据样本点对三维模型进行结构参数进行修改，得到调整后的三维模型；

S22：采用非结构网格对修改后的三维模型进行网格划分从而得到网络模型，其中，对离心式喷嘴的出口直管段进行网格加密；

S23：将网络模型导入CFD计算软件，以获得雾化锥角响应值和流量系数响应值。

进一步的，步骤S3中，代理模型为多项式响应面代理模型，表达式为

其中，x

进一步的，基于校正决定系数公式对多项式响应面代理模型进行精度检测，其公式为

其中，S

进一步的，优化模型表达式为：

max y

max y

其中，y

进一步的，步骤S4包括以下子步骤：

S41：设置初始种群和初始种群速度以及迭代次数；

S42：评价新生粒子，计算适应度值，得到初始种群当前位置的适应值，初始化个体极值Pbest，并将个体极值Pbest中的最优适应度值存储于全局极值Gbest中；

S43：确定学习因子、惯性权重、适应度函数；

S44：进行粒子速度与位置的更新，其中，将粒子适应度值和个体极值Pbest比较，如果优于就更新个体极值；且将每个粒子的适应度值和全局极值Gbest比较，如果优于就更新全局极值，公式为：

x

其中，c

S45：根据S31中迭代次数判断迭代是否达到终止条件，当迭代次数达到最大次数，停止迭代并输出最优解，若否，返回步骤S13并重新设置结构参数变量范围。

进一步的，步骤S4使用Matlab仿真模型进行仿真。

一种基于代理模型的离心式喷嘴雾化性能优化设计方法，包括如前所述的一种基于代理模型的离心式喷嘴结构参数优化方法，代理模型中获得的最优结构参数可应用于对离心式喷嘴产品的结构进行修改。

本发明的有益效果：

本发明通过提供一种基于代理模型的离心式喷嘴雾化性能优化设计方法，充分利用代理模型的高效优势，构建以雾化锥角、流量系数作为雾化性能质量评价主导参数的代理模型，通过从代理模型中获得优化模型从而实现雾化性能的高效优化，实验难度低，结果可靠，在所提出的方法在满足约束条件的前提下，实现雾化锥角和流量系数最大，从而大大降低计算成本，工程适用性更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的方法流程图；

图2为本发明实施例提2供的离心式喷嘴二维模型图；

图3为本发明实施例2提供的计算区域及网格图；

图4为本发明实施例2提供的算法迭代曲线。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-壳体，2-漩流槽，3-喷头，4-压力入口，5-压力出口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，接或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

一种基于代理模型的离心式喷嘴结构参数优化方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：利用离心式喷嘴过流部件的结构参数进行建模，根据建模结果得到离心喷嘴结构参数中的主导参数；

S2：利用正交实验获取所述主导参数的样本点，对所述样本点进行CFD计算，得到所述样本点对应的响应值，其中，所述响应值包括雾化锥角响应值和流量系数响应值；

S3：根据所述样本点以及所述响应值构建代理模型并对所述代理模型进行精度检测，当所述代理模型满足精度要求后建立优化模型，所述优化模型用于确定雾化性能最佳时雾化锥角和流量系数的参数组合；

S4利用粒子群算法对所述优化模型进行寻优，得到雾化性能最优的结构参数组合。

其中，步骤S1包括以下子步骤：

S11：对离心式喷嘴过流部件进行水力设计，增加一个外流域，利用结构参数建立三维模型；

S13：根据所述仿真结果，得到所述主导参数并根据所述三维模型的结构参数设置结构参数变量范围。

其中，所述主导参数为：喷嘴出口孔径、旋流室角度以及旋流槽角度。

其中，步骤S2包括以下子步骤：

S21：根据所述样本点对三维模型进行结构参数进行修改，得到调整后的三维模型；

S22：采用非结构网格对所述修改后的三维模型进行网格划分从而得到网络模型，其中，对离心式喷嘴的出口直管段进行网格加密；

S23：将所述网络模型导入CFD计算软件，得到所述雾化锥角响应值和流量系数响应值。

本实施例中，所述离心喷嘴是一种单通道喷嘴，如图2所示，当减温水经入口到达旋流片区域后，在内部湍流的作用下，减温水将旋转并经过旋流槽的槽面，因为惯性力克服表内张力继续向外扩张，到达出口处时液膜破碎成丝状或带状，当有外界作用力存在时，由于液膜变薄，表面势能逐渐变高，液膜和空气相对运动剧烈，表面张力被破坏，液膜破碎成为小液滴，形成喷雾，由此，为查看离心式喷嘴喷出后产生的雾化锥角，需要对离心式喷嘴过流部件进行水力设计，增加一个外流域，建立三维模型；在建立正交试验表中，选取的主导参数包括出口孔径(mm)、旋流室角度(°)、旋流槽角度(°)作为正交设计的三个因素，其原因在于，现有技术中一般采用单因素法对离心喷嘴进行仿真，查阅相关文献后，确认在研究不同结构参数对流量系数、雾化锥角的影响中，出口孔径(mm)、旋流室角度(°)、旋流槽角度(°)优选作为影响雾化性能的关键结构参数，因此相较于现有技术，本发明所选择的结构参数在试验结果中更具代表性，从而大大降低计算成本同时工还能增强程适用性，进一步的，每个因素有四个水平，其中，出口孔径包括[1.5，2，2.5，3]；旋流槽角度包括[40，45，50，55]；旋流室角度包括[80，90，100，110]，其目的在于从中得到雾化锥角和流量系数最优的结构参数组合；确定设计变量的取值范围[xi

S12：对所述三维模型进行仿真分析，得到仿真结果；

其中，所述代理模型为多项式响应面代理模型，基于校正决定系数公式对所述代理模型进行精度检测，当决定系数R

本实施例中，用多项式响应面代理模型替代系统的响应关系，对于非线性程度不高，设计变量数目少的模型，拟合效果较好。而二阶响应面模型有比较高精确度，需要的样本点数最少为(n+1)(n+2)/2，表达式为

进一步的，所述优化模型表达式为：

max y

max y

其中，y

其中，所述喷口直径、旋流槽角度以及旋流室角度的取值范围分别对应步骤S13中的结构参数变量范围。

其中，步骤S4包括以下子步骤：

S41：设置初始种群和初始种群速度以及迭代次数；

S42：评价新生粒子，计算适应度值，得到所述初始种群当前位置的适应值，初始化个体极值Pbest，并将所述个体极值Pbest中的最优适应度值存储于全局极值Gbest中；

S43：确定学习因子、惯性权重、适应度函数；

S44：进行粒子速度与位置的更新，其中，将粒子适应度值和个体极值Pbest比较，如果优于就更新个体极值；且将每个粒子的适应度值和全局极值Gbest比较，如果优于就更新全局极值，公式为：

x

其中，c

S45：根据S31中所述迭代次数判断迭代是否达到终止条件，当迭代次数达到最大次数，停止迭代并输出最优解，若否，返回步骤S13并重新设置结构参数变量范围。

其中，根据现有产品的原模型的结构参数设计所述结构参数变量范围。

其中，所述步骤S4使用Matlab仿真模型进行仿真。

本实施例中，基于CFD流场分析的正交试验，相较于其他喷嘴多增加一个旋流槽，旋流片可以使减温水随旋流片上的槽面旋转进入旋流室，不同的旋流槽角度和旋流室角度使得减温水的切向速度和轴向速度发生改变，喷嘴出口直径的变化会影响空气芯的大小从而引起雾化锥角和流量系数的变化，因此选取离心喷嘴结构参数中起主导作用的几个参数来进行试验，即喷嘴出口孔径、旋流室角度、旋流槽角度，用响应面法建立雾化锥角和流量系数的代理模型，用粒子群优化算法，得到雾化性能最优的结构参数组合，试验容易进行，试验结果具有一定代表性。

实施例2

根据实施例1中的方法流程，实施例2提供了一种基于代理模型的离心式喷嘴设计方法，包括喷头3、旋流槽2、壳体1，设计步骤如下：

步骤一：对离心式喷嘴过流部件进行水力设计，增加一个外流域，建立三维模型，如图3所示，包括压力入口4和压力出口5，建立的外流域直径为30mm，长为20mm，外流域的建立是为了查看离心式喷嘴喷出后产生的雾化锥角。

步骤二：设计正交实验表，选取喷头出口孔径d、旋流室角度α、旋流槽角度β作为正交设计的三个因素，每个因素有四个水平，如下表所示:

设计正交实验表：

步骤三：建立响应面代理模型，表达式为：

进行归一化处理

步骤四：粒子群优化算法，设定粒子群算法的运行参数，本文粒子群体大小取100；最大迭代次数为200次；学习因子采用标准值c

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。