Диссертация (1024729), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Результаты оптимизации по КПД и критерию K кавРезультаты расчета двухфазного течения обеих моделей представленына Рисунке 3.5.Рисунок 3.5. Расчет двухфазного течения в моделях, выбранных выше.Розовые области – области с концентрацией водяного пара выше 10%.Кавитационный запас модели слева составил 2,5 м, модели справа – 6 мТаким образом, расчет однофазной среды хоть и не позволяет вычислитьзначение кавитационного запаса насоса, но при этом позволяет сравнитькавитационные качества разных проточных частей, что и требуется впроцедуреоптимизации.Результатыэкспериментальнойпроверкиполученного для модели слева кавитационного запаса приведены в последнейглаве.86При необходимости проводить оптимизацию по нескольким критериямнеобходимо либо находить Паретово множество, либо составлять целевуюфункцию из критериев оптимизации с весовыми коэффициентами для каждогокритерия.
В большинстве случаев при оптимизации проточных частейцентробежныхнасосовдостаточноэкспертнойоценкиполученногомножества Парето, и такой метод использован в большинстве приведённых вработе примеров применения предлагаемого метода расчета.В качестве примера применения целевой функции рассмотренаоптимизация многоступенчатого малошумного насоса (Рисунок 3.6) с тремякритериями оптимизации: отклонение от заданных значений напора,кавитационныекачестваипульсациидавления,вызывающиегидродинамический шум (более подробное описание процесса оптимизацииданного насоса приведено в следующей главе).Рисунок 3.6.
Проточная часть оптимизируемого насоса (слева), рабочееколесо и направляющий аппарат (справа)Наряду с вышеуказанными критериями оптимизации в данном случаедля оценки виброакустических характеристик использовался критерий,характеризующийинтенсивностьпульсацийдавлениянавходевнаправляющий аппарат (Рисунок 3.7):P20 lgA2 ∙ 10,где A – амплитуда пульсаций давления заданной частоты на входе внаправляющий аппарат.87Рисунок 3.7.
Разложение в спектр пульсаций давленияВ результате расчета 32 моделей по ЛП-тау алгоритму оптимизацииполучается следующая таблица результатов (все критерии приведены кбезразмерному виду) (Таблица 9).Таблица 9.Результаты оптимизации насоса по критериям получения заданных значенийнапора при заданных подачах, минимизации критерия кавитации иминимизации пульсаций давления на входе в направляющий аппарат№ моделиK1H,%K2H, %Ккав, %P, %04,463094,1412,114,6511422,114,8211,9131,869,70……………301,4054,04,3915,73116,515,821,56,37При небольшом количестве рассчитанных моделей есть возможностьвыбрать наилучший вариант, проанализировав таблицу результатов.Другим вариантом является введение целевой функции с весовымикоэффициентами для каждого критерия:LL KL KLкав CкавL P88Для различных значений коэффициентов в зависимости от конкретныхтребований к насосу можно выбрать различные проточные части (Таблица 10).Таблица 10.Выбор различных проточный частей в зависимости от значений весовыхкоэффициентовЗначение весовыхНомерЗначениекоэффициентовмоделиЦФс мин.LLкавL10,10,1220.110.10.10.11LЗначение критериев оптимизацииKKCкавP15,01,8611,522,2114,1224,961,8611,522,2114,13111,716,5515,82621,406,34ЦФВыбор критериев оптимизации также определяет используемуюматематическую модель в процессе расчета проточных частей.
Во многихслучаяхнетнеобходимостииспользоватьтребующуюсущественныхвычислительных ресурсов нестационарную модель (Таблица 11).Таблица 11.Выбор используемой математической модели в зависимости от выбранныхкритериев оптимизацииСтационарный расчетГидравлический КПД вблизиоптимумаСтатические нагрузки в оптимальномрежимеНестационарный расчетВиброакустические свойстваНестационарные нагрузкиНапор вблизи оптимумаНапор, КПД, нагрузки в режимахКритерий кавитациивдали от оптимального893.4.Выбор параметров оптимизацииПосле выбора критериев оптимизации необходимо определиться спараметрами.
Как уже говорилось, сложность состоит в том, что проточнаячасть насоса имеет очень много варьируемых геометрических параметров, и впроцедуру оптимизации необходимо вовлекать только те из них, которыеоказывают наибольшее влияние на выбранные критерии.Возможноиспользованиедвухспособоввыборапараметровоптимизации:1.Экспертная оценка на основе опыта проектирования и расчетапервоначальной проточной части;2.Оценка влияния параметров на критерии оптимизации расчетнымпутем.Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки.При постановке задачи оптимизации лучше всего комбинировать дваэтих подхода.При использовании второго подхода необходимо рассчитать некотороеколичество проточных частей, изменяя только один параметр и так длякаждогопотенциальногопараметраоптимизации.Приэтомстоитиспользовать наиболее упрощенную математическую модель (например,стационарный расчет на грубой сетке) для того чтобы этап оценки не занялмного времени.Ниже приведены два графика, полученные для насоса низкойбыстроходности, иллюстрирующие такой подход (Рисунок 3.8, 3.9).90Рисунок 3.8.
Влияние толщины лопасти на входе в рабочее колесо нагидравлический КПДРисунок 3.9. Влияние ширины на выходе из канала рабочего колеса нагидравлический КПДВидно, что влияние ширины колеса гораздо больше, поэтому онавыбрана в качестве одного из критериев оптимизации.Существенную сложность в процессе оптимизации проточной частиметодом численного моделирования представляет создание 3D-моделейпроточной части.91При отсутствии программных кодов для построения элементовпроточной части (как в случае отводящего устройства с разделительнымребром) возникает необходимость создания собственных средств дляполучения исходных для моделирования моделей.В рамках работы [38] была создана программа автоматизированногопостроения отводящих устройств с разделительным ребром.Алгоритмы построения сечений были заложены в программу сграфическим интерфейсом (Рисунок 3.10), которая по заданному наборупараметров выводит в файл набор точек каждого сечения, поворачивая каждоесечение вокруг оси насоса на соответствующий угол.
Места сопряженийсечений реализуются посредством Безье поверхностей на четырёхугольнике,построенных по имеющимся кривым.Рисунок 3.10. Программа по расчету сечений отводаНа рисунке, изображающем окно программы, изображен расчет сеченийподвода. Черным цветом изображены сечения спиральной части, красным –обводного канала, синим – сечения диффузора на и под разделительнымребром, зеленым – сечения объединенного канала диффузора.92После построения в программе сечения в виде набора точек, онизаписываются в файл и загружаются в CAD системе как облако точек(Рисунок 3.11).Рисунок 3.11. Облако точек, загруженное в CAD системуС помощью встроенных в CAD пакет инструментов облако точекпреобразуется в триммированную поверхность (Рисунок 3.12).Рисунок 3.12. Триммированная поверхность отводаДалее встроенными средствами CAD системы триммированнаяповерхность преобразуется в окончательную поверхность с заданнойточностью (Рисунок 3.13).93Рисунок 3.13.
3D-модель, подготовленная к загрузке в пакетгидродинамического моделированияВтакомвидегеометриязагружаетсявпрограммныйпакетгидродинамического моделирования для последующего моделирования [53].Описанный метод построения проточной части позволяет получать понескольку десятков и даже сотен (в случае автоматизации всех «ручных»действий) моделей отводящих устройств в день, что существенно сокращаетвремя на построение 3D моделей и делает его пренебрежимо малым посравнению с временем, затрачиваемым на гидродинамические расчеты.3.5.Выбор метода оптимизацииВыбор нужного метода оптимизации для предлагаемого метода расчетапроточных частей крайне важен. Существует огромное количество различныхметодов, существенно отличающихся друг от друга.
Метод оптимизациипроточных частей центробежных насосов должен обладать двумя критическиважными свойствами. Во-первых, в связи со сложностью зависимостикритериевоптимизацииотбольшогочислапараметроврезультатоптимизации не должен сильно зависеть от выбранного начальногоприближения, а во-вторых, применение метода не должно требовать расчета94слишком большого количества проточных частей, так как процессгидродинамического моделирования является время-затратным.Выбранный ЛП-тау метод обладает следующими преимуществами:-Можно варьировать количество расчетных точек исходя извычислительных возможностей, пробные точки распределятся во всей областипоиска;-Упрощается автоматизация, так как весь набор расчетных моделейможно получить разом;-В отличие от равномерного распределения пробных точек впространстве параметров ЛП-тау метод увеличивает дискретизацию покаждому параметру, что приводит к более эффективному поиску зависимостейкритериев оптимизации от выбранных параметров;-Отсутствует начальное приближение, что исключает возможностьпоиска вокруг только одного локального минимума.Алгоритм формирования ЛП тау последовательности выглядитследующим образом:1.Назначается количество пробных точек N.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
