CFturbo叶轮设计教程

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,…CADCatia,SolidWorks,UG-NX,ProE,BladeGen,…生产制造CFD/FEM仿真PumpLinx,ANSYS-CFX,StarCCM+,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，提高达到设计目标的可能性。一键集成系统分析软件Flowmaster，KULI,……支撑软件介绍4三维设计软件：Cfturbo数值分析软件：PumpLinxAnsys-Turbogrid、ICEM-CFD、Ansys-CFX、Ansys-Fluent优化集成软件：Isight、OptiSLang初始设计成品优化后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YN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8Cfturbo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：200m³/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®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144、优化策略•遗传算法（GA,GeneticAlgorithm）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161.在满足扬程的约束下，经过323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0.128~0.1400.1340.12896叶轮直径0.240~0.2500.2450.24772叶轮出口宽度0.0215~0.02350.02250.022563前盖板型线X0.75~10.850490.96311Y0~0.100.042959后盖板型线X0.75~10.874250.75604Y0~0.100.018489叶轮前缘位置0.1~0.30.250.14724叶轮包角110°~130°118.7123.7叶轮出口角18°~24°20.319.03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•从设计参数到三维模型只需几个操作步骤；•所有的设计参数均咳哟通过batch命令从XML文件提取；•所有参数均可以被optiSLang集成。二、轴流泵优化二、轴流泵优化2.软件工具b）Pumplinx•可以对设计模型进行快速CFD求解，尤其是泵阀类运动机械。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•收敛性监测压力云图流线相对速度矢量二、轴流泵优化3.参数简化：•Hub线和shroud线简化为平行的直线•叶片头部线和尾缘线简化为直线二、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∆𝑝𝑡=0.4666𝑏𝑎𝑟𝐻=4.755𝑚•转速=780rad/min•水，无预旋设计目标•水力效率最大限制•βB290°•总压差∆pt±10%范围内二、轴流泵优化4.优化设计二、轴流泵优化不同的几何参数模型更新和几何输出（*.spro,*.stl）检查警告和错误信息检查βB290°?网格、计算模型、收敛稳定性等的检查对计算结果进行检查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CoP𝜂=𝑄.∆𝑝𝑡𝑃Q-流量∆𝑝𝑡−压差P-轴功率二、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：∆𝑝𝑡=𝑓(𝑑S1,∆z)5.结果——敏感性分析/平行坐标绘图二、轴流泵优化参数目标约束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）33072.2h13.1min69.9%+5%自适应响应面方法（ARSM）54026.3h14.0min69.3+4.4%电脑配置：•2*IntelXeon3.07GHz，6cores•64GBRAM•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基于CFturbo+PumpLinx+optiSLang的优化设计系统可成功应用于泵的优化设计；PumpLinx的高效求解功能可有效提高优化效率；CFturbo的初始设计可以作为较合理的优化设计原型；通过敏感性分析可以减少50%的自变量参数；一些必要的简化是必须的；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：Π=4•转速：n=90000min-135导出模型进行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362、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372、CFD数值模拟参数设置模型处理入口条件：总压1bar温度20ºC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383、CFD模拟结果总压比功率分级效率叶轮效率3.8242600.610.81三、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39CFturbo叶轮设计TurboGrid，ICEM-CFD网格划分CFX数值分析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：Pi25.5kW总压比：π＞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105mm105.61mm吸入口直径56mm53.71mm出口宽度3.2mm2.85mm叶片数1616叶片角55°58.6°包角5763.7°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η叶轮效率ηimp3.8242600.610.814.0235400.660.826、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。