（流体机械及工程专业论文）新型消防泵的多目标优化设计.pdf

新型消防泵的多目标优化设计 摘要 消防泵多采用离心泵 但离心泵随着流量增加 泵的扬程会显著降低 而在 消防泵实际运行中 火灾初期的实际消防用水量远小于水泵选定的流量 这样泵 的出口压力变大 会对输水管网的安全构成威胁 而随着灭火过程的进行 由于 各种因素的影响 消防用水量的需求会增加 当超过水泵选定的流量时 泵出口 压力会降低 从而直接影响灭火过程的进行 进而扩大火灾损失 因此 开发研 制高效 可靠的新型泵具有实际的工程意义 本文研究了两种可用于消防的新型 泵 一种是旋流定压泵 另一种是s 型叶片叶轮泵 其特征在于扬程 流量曲线 平稳 全文主要工作如下 一 c f d 模拟的可信度研究 基于理查德森外推法 针对标准k 一占 r n gk e k w 和s s t 四种湍流模型 在设计及非设计工况下 对旋流泵的扬程和效率的预测结果进行了验证和确认 研究结果表明 标准k f 模型可以准确的计算设计工况下的扬程 r n gk e 模型 可准确的计算非设计工况下的扬程 设计及非设计工况下效率预测值的比较误差 都较大 且比较误差主要来自于模型假设的误差 二 旋流定压泵的多目标优化设计 结合试验设计 r s m 方法和多目标遗传算法m o g a i i 对旋流定压泵中的1 4 个设计变量进行了多目标优化分析 获得了目标函数与设计变量的关联式 基于 关联式提出了旋流定压泵的设计方法 并将该设计方法应用于三个模型泵的设计 发现基于关联式的预测值与c f d 的计算值符合良好 三 s 型叶片叶轮泵的多目标优化设计 以普通离心泵为初始模型 基于三阶b e z i e r 参数曲线拟合叶型曲面 对参数 化的叶片进行了s 型叶片改型研究 通过单因素试验设计和r s m 方法分析了s 型叶片型线的9 个控制参数对性能曲线的影响 重点分析了4 个显著影响控制参 数间的交互作用 通过m o g a i i 算法获得了多目标的p a r e t o 前沿 关訇瞳词 消防泵 旋流定丛玉泵 s 型叶片叶轮 c f d 可f 言度 试验设计 响应面 多目标 江苏大学硕士学位论文 新型消防泵的多目标优化设计 a b s t r a c t c e n t r i f u g a lp u m p sa r em o s t l yu s e d a sf i r e p u m p s h o w e v e r t h eh e a d o f c e n t r i f u g a lp u m p sw i l lf a l ld o w ns h a r p l ya st h em a s sf l o wr a t ei n c r e a s e s 1 i n h e nf i r e p u m p s w a su s e di nt h ef i r es i t u a t i o n s w a t e ra c t u a l l yu s e da tt h eb e g i n n i n go ff i r ei sf a r l e s st h a nt h ed e s i g nf l o wr a t e w h i c hb r i n go nh i 曲p r e s s u r ea tt h eo u t l e tp i p ea n d w o u l dp o s eat h r e a tt ot h es e c u r i t yo ft h ep i p en e t w o r k a st h ef i r ep r o t e c t i o ng oo n w a t e rn e e d e di n c r e a s e sf o rk i n d so ff a c t o r s w h e nt h ef l o wr a t ee x c e e d st h ed e s i g n f l o wr a t e p r e s s u r ea tt h eo u t l e tp i p ew o u l dd e c r e a s e w h i c hw o u l dd i r e c t l ya f f e c tt h e 舭p r o t e c t i o np r o c e s s a n dt h e ne x p a n df i r el o s e s t h e r e f o r e d e v e l o p i n ge f f i c i e n ta n d r e l i a b l en e w t y p ef i r ep u m p sh a s a p r a c t i c a le n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r t w o p u m p s w e r ed e s i g n e df o rf i r ep u m p s o n ei st h ev o r t e xp r e s s u r ec o n s t a n tp u m p a n dt h e o t h e ri st h es b l a d ei m p e l l e rp u m p a n db o 也o ft h e ma r ec h a r a c t e r i z e db yas m o o t h h e a d f l o wc u r v e t h em a i n w o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s 1 t h ec r e d i b i l i t ya n a l y s i so fc f ds i m u l a t i o n s b a s e do i lt h eg e n e r a l i z e dr i c h a r d s o ne x t r a p o l a t i o n f o rt h es t a n d a r dk e r n gk e k c oa n ds s tf o u rk i n d so ft u r b u l e n tm o d e l sa tt h ed e s i g na n do f f d e s i g nc o n d i t i o n s t h e c f dr e s u l t so fp r e d i c t e dh e a da n de f f i c i e n c yo ft h ev o r t e xp u m pa r ev a l i d a t e da n d v e r i f i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a n d a r dk 8m o d e lc a na c c u r a t e l yc a l c u l a t et h e l l e a da tt h ed e s i g nc o n d i t i o n s a n dt h er n g k em o d e lc a n a c c u r a t e l yc a l c u l a t et h eh e a d a tt h eo f f d e s i g nc o n d i t i o n s t h ec o m p a r i n ge r r o r so ft h ep r e d i c t e de f f i c i e n c ya tt h e d e s i g na n do f f d e s i g nc o n d i t i o n sa r er e l a t i v e l yl a r g e w h i c ha r em a i n l yf r o me r r o r si n t h em o d e la s s u m p t i o n s 2 m u l t i o p t i o n a ld e s i g no f v o r t e xc o n s t a n t p r e s s u r ep u m p s c o m b i n e dw i t hd e s i g no fe x p e r i m e n t s r s ma n dm u l t i o b j e c t i v e g e n e t i c a l g o r i t h mm o g ai i t h e1 4d e s i g nv a r i a b l e so fv o r t e xc o n s t a n t p r e s s u r ep u m p s w e r e a n a l y z e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h ed e s i g nv a r i a b l e sw e r e o b t a i n e d b a s e do nt h er e l a t i o n s ad e s i g nm e t h o do ft h ev o r t e xc o n s t a n t p r e s s u r ep u m p w a sp r o p o s e d t h ed e s i g nm e t h o dw a sa p p l i e dt ot h ed e s i g no ft h r e ep u m pm o d e l s a n d i t sf o u n dt h a tt h ep r e d i c t e dv a l u e sb a s e do nt h er e l a t i o n ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t h t t t 江苏大学硕士学位论文 t h ec f dc a l c u l a t e dr e s u l t s 3 m u l t i o p t i o n a ld e s i g no fs b l a d ei m p e l l e rp u m p s a no r d i n a r yc e n t r i f u g a lp u m pw a st r e a t e da st h ei n i t i a lp u m pm o d e l b a s e do n t h i r d o r d e rb e z i e rf u n c t i o n t h eb l a d el e a fs u r f a c e so ft h ei n i t i a lm o d e lw e r ef i t t e d s t u d i e so nt h em o d i f i c a t i o no fs b l a d el e a fs u r f a c e sb a s e do nt h ec o n t r o lp a r a m e t e r so f t h eb e z i e rc u r v e sw e r ec a r r i e do n t h ei m p a c to f9c o n t r o lp a r a m e t e r so fs b l a d el e a f s u r f a c e so nt h ep u m pp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e db yu s i n gs i n g l ef a c t o rd e s i g no f e x p e r i m e n ta n dr e s p o n s es u r f a c em e t h o d a n dt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e n4s i g n i f i c a n t p a r a m e t e r sw e r es t u d i e di nd e t a i l t h ep a r e t of r o n tt h a tm e e t s t h em u l t i o b j e c t i v ew a s o b t a i n e dt h r o u g ht h em o g ai ia l g o r i t h m k e yw o r d s f i r ep u m p s v o r t e xc o n s t a n t p r e s s u r ep u m p s b l a d ei m p e l l e r c f d c r e d i b i l i t y d e s i g n o f e x p e r i m e n t s r e s p o n s e s u r f a c em e t h o d m u l t i o b j e c t i v e i v 新型消防泵的多目标优化设计 1 1 研究背景 目的和意义 第一章绪论 消防泵是水灭火给水系统的心脏 多采用离心泵 但离心泵应用于水灭火系 统时存在一个很大的缺陷 就是随着流量增加 泵的扬程会显著降低 而在消防 泵实际运行中 火灾初期的实际消防用水量远小于水泵选定的流量 这样泵的出 口压力变大 会对输水管网的安全构成威胁 而随着灭火过程的进行 由于各种 因素的影响 消防用水量的需求会增加 当超过水泵选定的流量时 泵出口压力 会降低 从而直接影响灭火过程的进行 进而扩大火灾损失 目前解决这个问题常采用的方法有 1 采用分部流泵 分部流泵可以实现 恒压供水 但存在振动噪声大 运行效率极低 流量小等不利因素 特别是现有 的分部流泵安装在大型建筑物内部时 会因其巨大的振动 噪音而影响建筑物内 其他各系统的正常工作 2 采用配调速系统的离心泵 这种离心泵的调速系统 在一定程度上解决了随着流量增加 泵的扬程会显著降低的问题 但变频调速系 统设备庞大 造价高 占地面积大 而且由于系统部件繁多 导致整个系统可靠 性变差 3 采用旋流定压泵 该泵可实现定压供水 已经克服了分部流泵的所 有缺点 但是运行效率还偏低 因此 目前的消防泵或消防泵机组很难满足未来社会的消防需求 开发研制 高效 可靠的新型消防泵显得尤为重要 本文研究了两种可用于消防的新型泵t 一种是旋流定压泵 如图1 1 所示 其特征在于叶片从进口处向后倾斜 在靠近出口处再向前弯折 另一种是s 型叶 片叶轮泵 如图1 2 所示 其特征在于叶片先是采用标准的后弯型线 叶轮出口 采用大于9 0 0 的安放角 蜗壳采用普通离心蜗壳 本文的研究目的是开发一种设计策略 从分析已有的旋流泵和离心泵开始 在前人实验经验的基础上 结合试验设计和c f d 计算确定影响性能的关键结构参 数 通过响应面方法研究关键结构参数对性能的影响 接着使用多目标遗传算法 寻找同时满足多目标的p a r e t o 前沿 从而确定结构参数的最优组合解集 研究的 重点不仅仅是确定一个优化结构 而且是理解结构参数与性能的关联 以便于发 1 江苏大学硕士学位论文 现新的设计规律 图1 2s 型叶片叶轮泵示意简图 消防泵由于其特殊的应用场合 要求其扬程曲线平坦 高效区宽 工作范围 广 美国a n s i n f p a 2 0 2 0 0 7 标准 1 和我国新修订的g b 6 2 4 5 2 0 0 6 消防泵 2 1 标准对性能要求最重要的一点就是消防泵可以在额定流量的1 5 0 i 况下运行 同时 此时扬程不能低于额定扬程的6 5 并且泵的关死点扬程不能高于额定扬 程的1 4 0 长期以来 国内外研究人员对这一课题从不同的角度进行了许多研 究工作 1 2 1 实验及理论研究 上海消防中心田骅1 3 对国家标准g b 6 2 4 5 不同版本的修订进行了分析和说明 周勃f 4 对消防泵的特点及技术改进进行了探讨 藏桂丛 5 从不同的消防系统阐述 了消防技术的发展 朱建朋i q 王丽晶1 7 l 阐述了c a d 在消防泵设计中的应用 甘肃工业大学范宗霖 8 j 机械工业第一设计院罗定元 9 为了获得较平坦的扬 程性能曲线 对消防切线泵进行了研究和试验 开发出系列化的消防切线泵 以 满足扬程曲线的平坦要求 吴玉珍 1 0 1 分析了高效率条件下切线泵的扬程系数与叶 片数 喉部面积 集液器断面积的关系 陈铁军等人 1 1 研究了消防稳压泵的稳压原理 基于水力损失分析 提出消防 泵压水室采取加大流量的设计方法 邵杰等人f 1 2 通过数值模拟研究了消防稳压泵 2 l j k卜一r萨 新型消防泵的多目标优化设计 的启动性能 施卫东 张德胜等人 协1 5 通过实验及c f i 模拟研究 基于加大流量 设计法 采取增加分流叶片和增大喉部面积等措施 提出了低比速离心消防泵的 设计方法 陈平 1 6 基于c f d 对多级离心森林消防泵进行了流场分析 结合实验 探索了多级离心泵的性能预测方法 西德学者r u t s c h i 于1 9 6 8 年发表了第一篇关于旋流泵实验研究的报告 研究 了叶轮外径及转速的变化对旋流泵性能的影响 对各种旋流泵的性能进行了测试 s c h i v l e v 大庭英树 青木正则等人先后用三孔探针和五孔探针对旋流泵内部流动 进行了测试 1 7 9 1 并对结构参数对性能的影响进行了研究f 瓣2 1 1 研究表明旋流泵 内存在着循环流和贯通流流动 并分别建立了内部流动模型 提出了旋流泵的设 计方法阎 关醒凡等在总结1 1 种旋流泵试验数据基础上 建立了旋流泵三要素 设计澍矧 沙毅 杨敏官 袁寿其等人在总结优秀水力模型和水力几何参数对泵 的特性影响的实验研究基础上 拟合出了水力几何参数的计算公式 提出了速度 系数设计方法晔 2 7 1 前苏联x q o n e n k o b l i p 设计了两段变曲率大出1 2 1 角 d 2 9 0 长短叶片复合式 叶轮 研究表明 扬程明显增加 效率在大流量区提高5 一1 5 汽蚀 噪声也 得到改善 b e c e z o b b l 4 对亿 3 4 的1 2 h a 2 6 0 型泵加大出口角p 2 至9 0 和1 3 0 研究也得出了类似的结论 王洋 硐对i s 6 5 4 0 2 0 0 型泵进行了两段变曲率叶型改 型 总结了两段变曲率叶型离心泵改型方法 李德忠等人 捌讨论了s 型叶片复合 叶轮结构参数的计算方法和取值范围 1 2 2 数值模拟 随着计算流体动力学 c f d 及湍流模拟的发展 旋转机械内部湍流的模拟 获得了较大的进展1 3 0 3 1 1 大量叶片泵内部流动模拟的工作纷纷展开 其中有许多 有关非设计工况流动及性能预测的研究工作 k w c h e a h 等人 3 2 通过模拟的手段 研究了离心泵在设计和非设计工况下的流动规律 f e l i x a m u g g l i p e t e rh o l b e i n 3 3 通过c f d 计算并与实验比较研究了混流泵从关死点到最大流量的外特性能 s u t h e pk a e w n a i 等人0 4 1 使用c f d 计算预测了离心泵的外特性能 k i t a n om a j i d i1 3 5 1 通过c f d 模拟研究了离心泵非定常时的压力脉动特征 r s p e n c e 等人p q 使用c f d 研究了离心泵内部的振动 3 江苏大学硕士学位论文 随着c f d 数值模拟软件成为科研和工程问题分析中不可缺少的工具 c f d 模拟的可信度也受到日益增加的关注 在利用c f d 手段进行分析时 首先需要对 c f d 计算结果的数值误差和模型误差进行分析 这被称为c f d 的验证与确认 f r e ds t e m r o b e r tvw i l s o n 等人 3 7 3 8 研究了c f d 验证与确认的方法和步骤 并 将该方法步骤应用于货船的r a n s 模拟 邓小刚等人 3 9 l 详细讨论了c f d 验证与 确认的方法 并对我国开展c f d 验证与确认研究工作提出了若干建议 杨永 删 在基于网格计算的应用上对c f d 模拟的可信度进行了分析 朱德祥等人 应用 r i t c 的c f d 不确定度分析的规程 对潜艇标模s u b o f f 光体的黏性绕流场进行 了分析 吴乘胜 杨引4 2 1 以i i t c 水面船标模d t m b 5 4 1 5 为对象 基于i t t c 规 程 进行了c f d 不确定度分析研究 康顺等人 4 3 分析了c f d 模拟中可能产生的 各种误差 采用r i c h a r d s o n 外推法建立估算网格误差的方法 并应用于n a s a 4 4 1 2 翼型 张伟等人m l 使用通用理查德森外推法 针对标准k 一占模型 在设计与非设 计工况下 对离心泵的扬程及轴功率的预测结果进行了验证与确认分析 1 2 3 优化设计方法 借助于c f d 计算可以获得大量的信息 而数值优化方法可作为分析这些信息 的工具 用来研究结构参数与机器性能之间的关联 并且寻找结构参数的最佳组 厶 1 2 1o 优化算法一般可分为三类 梯度最优算法 g r a d i e n tb a s e do p t i m i z a t i o nm e t h o d 探索性技术 e x p l o r a t o r yt e c h n i q u e s 基于近似函数方法 m e t h o d sb a s e do nt h e c o n c e p to f f u n c t i o na p p r o x i m a t i o n 其中 梯度最优算法计算目标函数的梯度 沿 梯度方向逐步逼近函数的最大值 该方法在参数区间是单调且连续的情况下有很 高的效率 探索性技术 如遗传算法 g e n e t i c a l g o r i t h m 和模拟退火 s i m u l a t i n g a n n e a l i n g 是基于统计假设理论 用来在一个大的搜寻空间内寻找最优解 适 合处理多峰值问题 基于近似函数方法 是将近似函数和试验设计相结合的全局 优化方法 主要的近似方法有响应面方法 r s m 神经网络 n e u r a ln e t w o r k s 和k r i g i n g 方法 近几年来 这些优化方法在离心叶轮的设计中得到应用 a s h i m a r a 和g o t o 4 5 使用反问题方法 并结合组合梯度最优方法和探索性技术对水泵叶轮性能进行了 4 新型消防泵的多目标优化设计 优化 v a nd e nb r a e m b u s s c h e 等人 4 6 结合遗传算法和神经网络改善了离心压缩机 叶轮的效率 t o u r l i d a k i s 等人1 4 7 4 8 1 使用多目标遗传算法和c f d 对叶轮和导叶进行 了优化 d u c c i ob o n a i u t i a n d r e a a m o n e 等人f 4 9 结合试验设计 响应面方法和多 目标优化算法对离心压缩机叶轮进行了优化 郑赞韬等人刚基于两种多目标方法 对某发动机氧化剂泵叶轮进行了优化 何希杰等人 5 1 采用遗传算法 对低比速离 心泵进行了优化 刘小民 张文斌 5 2 基于遗传算法 以总压比和效率为目标函数 对离心压缩机叶轮进行了优化 王晓峰 席光 5 3 1 详细探讨了将离心叶轮内部的流 动求解与试验设计以及响应面方法相结合的优化设计方法 卢金铃 席光 5 4 使用 反问题方法 结合试验设计和神经网络对混流泵的扬程和效率进行了优化 1 3 本文研究的主要内容 本文结合试验设计 响应面方法和多目标算法对旋流定压泵和s 型叶片叶轮 泵进行了优化设计 各章节的安排如下 1 应用数值计算的误差分析方法对旋流泵的设计及非设计工况数值计算的 结果进行了验证和确认 研究了四种湍流模型进行定常计算时的准确性和有效性 着重分析了误差形成的原因 一 2 将旋流泵c f d 模拟验证和确认的结论作为旋流定压泵c f d 计算的设置方 法 在此基础上 针对旋流定压泵作为消防泵使用的情况 结合试验设计 响应 面法以及多目标遗传算法 对其进行了优化 分析了旋流定压泵的关键结构参数 对性能的影响 获得了目标函数与设计变量的关联式 基于关联式提出了旋流定 压泵的设计方法 并将该设计方法应用于三个模型泵的设计 3 在已有的离心泵模型的基础上 对叶轮叶片做了改型 以使其适用于消防 场合 结合试验设计 响应面法以及多目标遗传算法 分析了改型后s 型叶片叶 轮 5 江苏大学硕士学位论文 第二章旋流泵c f d 模拟的验证和确认 c f d 软件广泛用于研究叶轮内部流动 以往 c f d 软件的验证确认工作多局限 于软件本身是否执行顺畅 能否得出预计结果 并没有对c f d 数值模拟的误差的 来源 范围及相互影响进行量化的评测 本章应用数值计算的误差分析方法对旋 流泵的设计及非设计工况数值计算的结果进行了分析 并研究了误差形成的原因 2 1c f d 模拟的验证与确认 随着c f d 数值模拟软件成为科研和工程问题分析中不可缺少的工具 c f d 模拟的可信度也受到日益增加的关注 而可信度研究的基本内容和方法就是c f d 的验证 v e r i f i c a t i o n 和确认 v a l i d a t i o n 简称v v c f d 的验证确认和可信度评价在国外一直受到高度重视 从1 9 8 7 年开始 美国 欧洲开展了大规模 有组织的c f d 验证与确认工作 如j o ff l u i d e n g i n e e r i n g l 5 5 1 a i a aj o u r n a l s 6 1 j o u r n a lo fh e a tt r a n s f e r l 5 7 1 等专业杂志发布了涉 及数值模拟可信度的编辑方针 在航空航天领域 国外进行了大量的c f d 验证确 认工作 如美国h s c t 计划中的c f d 阻力专题验证 b o e i n g 公司的全机c f d 验 证确认 1 9 9 8 年 a i a a 针对c f d 验证和确认 可信度评价提出了第一个系统 深入的指矧5 8 1 近几年关于c f d 软件可信度评价及验证确认方法也引起了国内 学者的重视 3 9 4 3 国内水泵类流体机械行业 由于应用c f d 技术起步较晚 很多 研究尚处于探索阶段 对c f d 数值模拟结果的验证与确认工作意义重大 本章参考的是r l t c 国际船模水池会议 的验证与确认方法 3 7 1 2 2 验证与确认方法 在2 2 1 中介绍了验证与确认过程中的主要概念和定义 2 2 2 中给出了验证 与确认的公式 2 2 3 及2 2 4 介绍了验证和确认的步骤 2 2 1 基本概念 6 精度指计算值或实验值与真实值之间的差异 误差万定义为计算值或实验值 新型消防泵的多目标优化设计 与真实值之差 精度越高 误差万越接近0 由于真实值是不知道的 所以误差 必须估计 不确定度 是对误差范围的估计 可理解为误差万在不确定度 u 的 区间中存在真值 对于模拟 在特定情况下 可以估计误差的大小和符号 称之为估计误差艿 接着考虑估计误差的不确定度 模拟中的误差是数值计算结果s 和真实值t 的差值 分为两类 模型误差 和数值误差 其中 模型误差喀m 及不确定度 是由物理问题进行数学描述 时因假设和近似 几何形状 湍流模型 坐标选择 物性参数处理等 所引起的 数值误差氟及不确定度 是由数学方程的数值求解 截断 边界条件的数值处 理 网格处理 舍入 迭代不完全 所引起的 因此模拟误差瞧的表达式为 磊坯一r 强 2 1 表示对应于模型误差 的不确定度 表示对应于数值误差 的不 确定度 根据不确定度的合成方法 并认为建模误差和数值误差不相关 则模拟 误差的不确定度 可由下式计算 吒 吆 2 2 对于一些情况数值误差懿可以估计 用上角标番号表示估计值 即 氐 鑫 2 3 式中 鑫是对数值误差 的估计值 为误差 估计的误差 利用估计值对模拟结果进行修正 修正后的模拟值 为 s 一鑫 2 4 修j 下后的模拟误差为 蠢或一z 2 5 对应的不确定度为 暖 吒 略 2 6 7 江苏大学硕士学位论文 式中 畦 是 的不确定度估计 2 2 2 验证与确认的基本理论 验证的过程就是估计模拟中数值误差的过程 在稳态问题的数值模拟中 数 值误差 主要包含迭代误差4 截断误差磊 包括由网格分布带来的误差和离 散格式的阶数所带来的误差 舍入误差唼和其他参数的引入造成的误差4 即 c 4 唼 4 昂 2 7 在误差分析中 因舍入误差唼在数值误差中所占比例很小 可以忽略不计 模拟中引用的参数一般来源于经过精确测量的参数 取值精度也比较高 故因参 数引入造成的误差4 也很小 这样数值误差氐主要包括迭代误差和截断误差 即 氐 4 辱 2 8 相应的不确定度为 略 斫 斫 2 9 式中 坼分别为迭代不确定度和截断不确定度 数值误差的估计值鑫可表示为 繇 薛 薛 2 1 0 式中 西 西分别为迭代误差和截断误差的估计值 修正后模拟值和修正后的数值不确定度表示为 s 西 薛 z 巧渐 e 跏 2 1 1 咯 暖 暖 2 1 2 式中 u k 分别为修正后的迭代不确定度和修正后的截断不确定度 确认 v a l i d a t i o n 是利用基准试验数据评估数值模拟的模型不确定度 的 过程 并且当条件允许时 还要顾及模型误差 其中比较误差e 定义为实验 r 新型消防泵的多目标优化设计 值d 和计算结果值s 的差 即 e d s 懿 2 1 3 式中 磊为实验数据d 的误差 模型误差被分解为来自于模拟采用的参数误差 和来自于模型假设的误差 比较误差e 的不确定度玩为 妮 以 吒 屹 略 2 1 4 理想情况下 如果吲 计算结果获得验证 但实际上 模型假设误差 的不确定度虬砌无法估计 因此使用确认不确定度 v a l i d a t i o nu n c e r t a i n t y 诉 瑶 屹 以 2 1 5 式中 吃 u s 2 p v 略 是模拟不确定度的总估计 比较误差和不确定度的修正值为 臣 峪 一 晦d b 2 1 6 暖 呸一吃 以 暖 2 1 7 2 2 3 验证的步骤 验证包括迭代误差的确定和截断误差的确定 2 2 3 1 迭代误差和不确定度分析 数值求解的残差下降的数量级及最终残差的水平可用来作为是否停止迭代求 解的判据 理想希望迭代收敛至残差为o 但对于复杂结构或条件 残差至0 不 太可能 残差下降3 到4 个数量级 并且最终残差水平在1 0 4 较为合理 迭代误 差和不确定度可通过基于图形或理论分析的方法进行估计 该方法取决于迭代收 敛的类型 迭代收敛的类型包括一致迭代收敛 振荡迭代收敛和混合迭代收敛 包 括一致迭代与振荡迭代的特点 1 对振荡迭代收敛 认为其迭代误差等于零 即 9 江苏大学硕士学位论文 茚 0 2 1 8 不确定度为 u 一 1 眩 式中 品和s 分别为停止迭代时最后一个迭代周期中解的最大值和最小值 可以 认为是该不确定度在9 0 的置信度下的扩展不确定度 2 对于一致迭代收敛 可以采用指数方程的曲线拟合法来估计迭代不确定度 珥 9 5 的置信度 迭代误差的估计值茁和修正后的迭代不确定度u c 9 5 的置信度 即 u p c 兄i 2 2 0 式中 瓯为拟合的指数方程当自变量趋于无穷时的函数值 茁 s c 瓦 u i c o 2 2 1 3 对于振荡迭代和一致迭代混合的情况 解的振幅随迭代次数增加而减小 用解的范围来定义第f 次迭代中的最大值品和最小值s 从而估计迭代不确定度 珥 9 5 的置信度 式2 1 9 迭代误差的估计值西和修正后的迭代不确定度u c 9 5 的置信度 即 西 s 一三 品一 2 2 2 u 0 2 2 3 j 2 2 3 2 截断误差和不确定度分析 截断误差一般是根据几套不同密度网格上的模拟值来分析的 即截断误差的 分析要用到模拟值 而该模拟值不应包含迭代误差 因此在进行截断误差分析之 前 首先要分析迭代误差 并利用迭代误差对模拟值进行修正 即 s s 一茁 2 2 4 验证过程中通常通过m 重系列网格加密的多重解 肌 3 来研究截断误差 在假设高阶项对首项可略而不计 只存留截断误差首项时可选择m 3 然后采用 新型消防泵的多目标优化设计 修i f 系数修正因假设高阶项相对首项可略而不计而带来的误差 几套网格间细化 比一般推荐为 乏 设3 套网格上对应用迭代误差修正过的解分别为s l s 2 s 3 其中 代表 代表网格最密的的解 s 3 代表网格最疏的解 不同网格下模拟值之差用占表示 即 乞1 s 2 一s 1 2 2 5 锄 s 3 一s 2 2 2 6 r 岛l 岛2 2 2 7 根据不同的r 值 可以判断解随网格加密的3 种变化趋势 1 单调收敛 0 r 1 2 振荡收敛 尺 1 对于单调收敛 使用r i c h a r d s o n 外推法进行误差和不确定度分析 对于振荡 收敛 通过停止迭代时最后一个迭代周期中解的最大值品和最小值 来估算不 1 确定度坼 品一s l 2 而对于发散 误差和不确定度不能估计 对于1 单调收敛 广义理查德森法根据精度的阶数a 可以估计误差 磕 且r v 1 2 2 8 p 2 锵 垃2 修正系数修正因假设高阶项相对首项可略而不计而带来的误差 薛 c 醢 2 3 0 c 尝 2 3 1 r 1 式中 是当空间步长趋于0 渐近线范围c 趋于1 时 截断误差首项精度阶 1 1 江苏大学硕士学位论文 数的估计值 当c 远离1 时 仅司通过不确定度来估计误差大小 坼 l c 瓦l l 1 一c 砬l 2 3 2 当c 接近1 时 可以用式 2 3 0 估计误差 不确定度通过下式估计 陋c 毛l 2 3 3 此外 还可以通过安全因子b 估算不确定度 安全因子b 推荐为1 2 5 即 6 一驯堍l 2 3 4 2 2 4 确认的步骤 确认就是要比较蚓 巩和允许的最大不确定度u 州之间的关系 确认标准 如下 1 当蚓和u 都小于u 硎时 模拟通过确认 2 在条件1 成立的情况下 如果陋i 砜 结果在巩水平上得到确认 比 较误差低于噪声水平 可以认为实验与模拟的偏差是由随机误差产生的 即认为 模拟误差 为零 这种情况下模拟误差与数值误差大小相等 符号相反 3 在条件1 成立的情况下 如果 蚓 结果在 e l 水平上得到确认 比 较误差高于噪声水平 从不确定度的观点看 用e 的符号和大小估计 是可行 的 如果 吲 则e 相当于 因而来自于模型假设的误差 可以明确确 定 在计算结果的数值误差确定的情况下 可以确定鑫和不确定度u 其中尾 可能比e 大或小 但u n 应该总是小于 因而对于给定的修正情况下的解 不 一定与相应的未修正情况下的解相似 或者说在修正情况下得到确认的变量在未 修正情况下未必得到确认 对于 o 所以 最密网格上的模拟修正值 是可取的 同理适用于表2 5 中小流量工况下s s t 模 型在g r i d 2 4 网格的扬程计算情况 也适用于表2 6 中小流量工况下k t o 模型在 g r i d 2 4 网格的效率计算情况 2 3 4 1 扬程效率的确认 验证通过模拟值s 和修正后的模拟值 首先通过s 计算比较误差e 仍以 表2 3 和表2 4 中舻8 1 5 m 3 h 工况下采用g r i d l 3 网格基于标准七一e 模型的计算 结果为例 s s l e d s 1 2 9 5 1 2 9 4 0 5 0 0 0 9 5 0 0 7 d 式中 s 1 为网格g r i d l 的模拟值 d 为实验值 模拟采用的参数误差 的不确定度u 渤不作考虑 因此验证由式 2 1 5 计算 确认不确定度乩 阮 2 5 5 d 其中 u s n u t 0 4 9 d u d2 5 d 比较误差蚓 结果在u v 2 5 5 d 水 1 平上得到确认 接着通过修正后的模拟值 计算比较误差的修正值 e c d s c 1 2 9 5 1 2 9 7 8 5 0 0 2 8 5 0 2 2 d 比较误差不确定度的修正值 2 u 未 十吮 2 5 1 d 其中 o 2 d u o 2 5 d 比较误差的修正值l 尾i 结果在 2 5 1 d 水平上得到确认 表2 7 为不同工况不同模型计算扬程的确认 表2 8 为效率的确认 江苏大学硕士学位论文 新型消防泵的多目标优化设计 由表2 7 q v 8 1 5 m 3 h 工况下采用g r i d 2 4 网格基于标准k 一占模型的扬程计 算结果在u y 2 5 8 d 处得到确认 修正结果在 2 5 1 d 处得到确认 q 矿 8 1 5 m 3 h 工况下采用g r i d 2 4 网格基于k l e c i 结果在i e i 8 2 4 d 处未得到确认 修正结果在 i e c i 7 9 5 d 处未得到确认 而 因此需要降低 一个数量级 使得 和 在一个数量级上 如此 便可以得到结论比较误差主要来自模型假设 的误差 e c 同样的 舻8 1 5 m a h 工况下采用g r i d l 一3 网格基于肛 和 s s t 模型计算时 结果都未得到验证 降低 一个数量级时 可以说明比较误差 主要来自模型假设的误差 舻8 1 5 m a f a 工况下采用g r i d 2 4 网格基于缸 模型计 算时 效率结果在l e 1 1 6 d 处未得到确认 修正结果在i i 1 4 5 d 处未得到 确认 和 在一个数量级 说明也 q v 8 1 5 m 3 工况下采用 江苏大学硕士学位论文 g r i d 2 4 网格基于嬲r 模型计算时 效率结果在吲 1 3 4 d 处未得到确认 修正 结果在i i 1 4 7 5 d 处未得到确认 和u o 在一个数量级 说明 e c 因此 对于缈 8 1 5 m 3 h 工况下效率的计算结果都未得到确认 且比 较误差主要来自模型假设的误差 e c 8 s u a 由表2 8 吼 1 9 8 m 3 工况下采用g r i d l 3 网格基于砌晒k e 模型的效率计算 结果在巩 5 9 5 d 处得到确认 修萨结果在 3 5 d 处得到确认 缈 1 9 8 m 3 工况下采用g r i d 2 4 网格基于肛 模型的效率计算结果在吲 9 6 d 处未得到确认 修正结果在i 也i 1 7 9 d 处未得到确认 因此e c 缈 1 9 8 m 3 l l 工况下采用 g r i d 2 4 网格基于s s t 模型的效率计算结果在吲 1 4 1 d 处未得到确认 修正结 果在l i 1 8 3 d 处未得到确认 比较误差主要来自模型假设的误差 i 丢t d 对 于q v 1 9 8 m a 工况 基于r n g 如g 模型的效率计算结果在密网格时得到确认 基 于k t o 模型和s s t 模型的效率计算结果未得到确认 且效率的比较误差主要来自 模型假设的误差 2 4 结论 基于理查德森外推法对旋流泵的c f d 计算结果进行验证和确认 研究表明 1 设计工况下 标准k s 和k t o 模型都可较准确的计算扬程 且标准k 一占 模型在密网格计算时 其扬程计算结果更为准确 非设计工况下 r n gk e 模型 的扬程计算结果更为准确 2 设计及非设计工况下 应用四种湍流模型计算效率时 其比较误差都较 大 且比较误差主要来自模型假设的误差 e c 新型消防泵的多目标优化设计 第三章旋流定压泵的多目标优化设计 第二章中对旋流泵c f d 计算结果的验证和确认表明标准k f 模型可以准确的 计算设计工况下的扬程 r n gk e 模型可准确的计算非设计工况下的扬程和效率 使用第二章中的结论作为本章的数值计算方法 在章节3 1 中讨论了旋流定压泵的 多目标优化设计方法 在章节3 2 中结合消防泵设计规范 对优化问题进行了定义 在章节3 3 中定义了旋流定压泵的各结构参数 接下来的章节中分别对优化变量进 行p l a c k e t t b u r m a n 试验 最速上升试验 响应面分析及多目标优化 获得多目标函 数与优化变量的关联式 基于关联式提出了旋流定压泵的设计方法 并将该设计 方法应用于三个模型泵的设计 3 1 设计方法 3 1 1p l a c k e t t b u r m a n 试验设计 p l a c k e t t b u r m a n 设计由p l a c k e t t 和b u r m a n 于1 9 4 6 年提出 它建立在不完全平衡 板块原理的基础上 通过阶试验至多可以研究 一1 个变量 一般为4 的倍 数 t 6 4 1 在试验过程中 通常会预留出虚拟变量作为误差分析 每个变量有高 低 两个水平 分别以 标记 在整个p l a c k e t t b u t m a n 设计中 每个变量取高 低水 平的值各 2 次 而且在某个因素取得高 低 水平时 其他各个因素取得高 低 水平各 4 次 该设计不能区分主效应与交互作用的影响 但对显著影响的因子可 以确定出来 从而达到筛选的目的 避免在后期的优化试验中由于因子数太多或 部分因子不显著而浪费试验资源 试验设计中 应用线性函数进行因素筛选 忽略交互作用 6 q 线性模型方程 如式所示 y f l o 取0 1 k 3 1 其中 y 为响应值 x i 是设计变量 屈是回归系数 反映了x i 的影响程度 3 1 2 最速上升法 系统最优运行条件的初步估计常常远离实际的最优点 在这种情况下 实验 江苏大学硕士学位论文 者的目的是要快速地进入到最优点的附近区域 当远离最优点时 通常假定在的 一个小区域范围内一阶响应模型是真实曲面的合理近似 最速上升法是沿着响应有最大增量的方向逐步移动的方法 如果求的是最小 值 则称最速下降法 所拟合的一阶模型是 多 魂 圭压毛 3 2 与一阶响应曲面相应的多的等高线 是一组平行直线 最速上升的方向就是多增 加的最快的方向 这一方向平行于拟合响应蓝面等高线的法线方向 通常取通过 感兴趣区域的中心并且垂直于拟合曲面等高线的直线为最速上升路径 这样一来 最速上升路径与拟合的一阶模型 3 2 的回归系数的符号和大小成比例 可给出 一个一般算法 以确定最速上升路径上点的坐标 五 x 2 x k o 是基点或原 点 则 1 选取一个过程变量的步长 如缸 通常 选取最了解的变量 或选取回 归系数的绝对值1 分 l 最大的变量 2 其他变量的步长是 缸2 孤p i 乩 k f 3 3 3 将规范变量 鼍的转换至自然变量 试验沿着