【技術貼】如何才能快速設計出一款低成本、高性能的離心泵產品？

2017-04-06 by:CAE仿真在線來源:互聯網

如何才能快速設計出一款低成本、高性能的離心泵產品?

為了提高工作效率,現在很多研發人員都在采用仿真聯合實驗的手段,但是由于設計和仿真不能同步進行,初步設計的產品如果通過仿真得到的性能曲線不能滿足使用要求,往往需要返回到CAD模型中修改幾何參數,再仿真計算獲得結果,整個過程繁冗復雜,那么,怎么才能使整體研發流程最簡化、研發成本和周期最小化呢?

有人想到了在CAD技術和仿真模擬技術的基礎上,引入軟件驅動和優化算法,重復驅動CAD軟件和CAE軟件自動修改模型和仿真計算,從而極大地減少工程師重復性的工作量,進而減少重復工作過程中出錯的可能性。但由于存在與參數化建模軟件、葉輪機械設計軟件、數值分析軟件集成的二次開發等門檻,一直舉步維艱。

前不久,海基的幾位工程師提出了一個方案,基于葉輪機械設計-仿真-優化的一體化思路,通過集成葉輪機械的參數化設計、數值分析和優化設計軟件,并自定義開發各軟件之間的接口和操作流程的批處理化,在同一平臺上可自動實現包括參數化設計、數值分析和優化設計的所有功能,聽起來神乎其神,那這個方案是否真的能幫助我們快速完成產品設計嗎?

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圖1 葉輪機械優化設計系統架構

以離心泵的設計為例,理論上來說,采用該一體化設計平臺,可通過采用CFturbo設計出較理想的初步設計模型,并自動輸出至PumpLinx進行性能分析,獲得數值計算結果,自動輸出至優化設計軟件Isight。通過在Isight中設置優化參數和提取數值計算結果,Isight會有針對性地對計算結果進行改型優化,自動調用CFturbo和PumpLinx進行“設計-仿真-優化”的多次循環,以最少的設計次數獲得最佳的設計模型,最終獲得符合要求的產品。

我們實際來做一個案例,假設離心泵設計點工況為:

? 流量:200m3/h;

? 揚程:≥45m;

? 額定效率:≥84%;

? 轉速:2500RPM;

? 介質:20℃清水。

1、葉輪設計

在輸入設計參數之后,根據CFturbo內置的經驗函數可以自動計算出葉輪幾何特性參數。本設計中,先根據所需設計的泵基本性能參數,根據CFturbo內置的經驗函數得到泵的詳細幾何參數和相應的流體域模型,完成離心泵葉輪的三維初步設計,如下圖所示:

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圖2 葉輪設計模型

2 、蝸殼設計

CFturbo具有蝸殼設計模塊,將已創建的葉輪模型導入之后,即可便捷地展開蝸殼的設計工作。最終生成的蝸殼模型如下:

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圖3蝸殼設計模型

3 、離心泵工作性能的數值仿真

葉輪和蝸殼模型生成完畢后,在CFturbo中直接啟動PumpLinx可對設計模型和優化后的模型展開CFD分析,預測離心泵的流體動力特性。

對單個工況進行穩態仿真,迭代500次達到穩定,所需時間為20分鐘。通過仿真,獲得了離心泵初始模型的性能曲線,如下圖所示。從圖中可以看出,初始設計模型在設計點的揚程為45.02m,效率為83.65%,揚程達到了設計要求,但效率偏低,需要在原設計基礎上對模型進行優化。

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圖4直流泵葉輪蝸殼網格圖

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圖5 設計流量工況下壓力分布結果

表1 最終設計方案多工況性能預測結果

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圖6 計算所得泵的性能曲線

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圖7 多目標的后處理結果分析1

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圖8 多目標的后處理結果分析2

4、離心泵性能優化

(1)離心泵優化參數

為了提高離心泵效率,在葉輪設計參數中選取了10個可變參數作為優化變量,如下表所示:

表2 離心泵優化變量

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各變量含義示意圖如下所示。

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圖9 變量示意圖

(2)離心泵優化流程

優化過程需要不斷進行“設計—評估—改進”的多次循環,通過一種搭積木的方式快速繼承和耦合設計和仿真軟件,將所有設計流程組織到一個統一的邏輯框架中,自動運行仿真軟件,并自動重啟設計流程,從而消除傳統設計流程中的重復性工作,使整個設計流程實現全數字化和全自動化。本次優化設計流程如下圖所示。

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圖10 優化流程圖

本優化流程集成了優化算法、CFturbo設計軟件、PumpLinx仿真軟件、文檔修改、計算器和一個自編后處理程序。

本案例是在離心泵優化設計平臺上施加遺傳算法全局搜索和二次序列規劃方法局部尋優的優化策略組合,啟動優化平臺進行優化求解,最終獲得優化后的設計模型。

(3)離心泵優化結果

優化目標:提高額定工況下離心泵效率,并保證揚程的設計要求;

約束:揚程≥45m。

下圖顯示了優化軟件在計算迭代過程中離心泵效率的變化曲線。經過323次迭代優化計算后,尋找到目標函數的全局最優解,優化過程結束,最終得到的離心泵最優效率為85.21%。

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圖11 優化過程曲線圖

下圖為計算得到的原始泵模型和優化泵模型的性能曲線的比較,其中黑色曲線為原始泵模型,紅色曲線為優化后泵模型的性能曲線。從圖中可以看出,優化后泵模型的揚程和效率都得到了一定的提升,流量系數在0.4到1.2范圍內,揚程增大3-5m,效率提高1.56%-6.05%。外特性曲線表明,經優化后離心泵的水力性能得到明顯改善。