CFturbo叶轮设计教程.pdf

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1、 目录 1. 优化设计系统技术方案简介优化设计系统技术方案简介 2. 支撑软件介绍支撑软件介绍 3. 设计优化案例分享设计优化案例分享 4. 小小结结 2 优化设计系统技术方案简介 3 参数化设计参数化设计 CFturbo 网格生成 ICEM-CFD, TurboGrid, Pointwise, Gambit, CAD Catia, SolidWorks, UG-NX, ProE, BladeGen, 生产制造 CFD/FEM 仿真 PumpLinx, ANSYS-CFX, Star CCM+, CFdesign, 快速样机成型, 验证 设计、仿真、优化、设计、仿真、优化、 制造一体化制造一体

2、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：PumpLinx Ansys-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

3、 化 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 Y N 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 8 Cfturbo 三维设计 PumpLinx 数值模拟 建立目标函数 与设

4、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：200m /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

5、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： 1.1. 叶轮主要外形尺寸叶轮主要外形尺寸： 吸入口直径 叶轮出口直径 叶轮出口宽度 2.2. 子午面形状子午面形状： 前盖板型线 后盖板型线 3.3. 叶片形状叶片形状： 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 14 4、优化策略 遗传算法（GA, Genetic Algorithm）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

6、（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 16 1. 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

7、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 0.1280.140 0.134 0.12896 叶轮直径 0.2400.250 0.245 0.24772 叶轮出口宽度 0.02150.0235 0.0225 0.022563 前盖板 型线 X 0.751 0.85049 0.96311 Y 00.1 0 0.042959 后盖板 型线 X 0.751 0.87425 0.75604 Y 00.1 0 0.018489 叶轮前缘位置 0.10.3 0.25 0.14724 叶轮包角 110130 118.7 1

8、23.7 叶轮出口角 1824 20.3 19.03 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 2.2.软件工具软件工具 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

9、取； 所有参数均可以被optiSLang集成。 二、轴流泵优化 二、轴流泵优化 2.2.软件工具软件工具 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 2.2.软件工具软件工具 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 3.3.参数参数 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 3.3.参数参数 二、轴流泵优化 4.4.优化设计优化设计 设计点参数： 设计流量Q=1.47

10、6m3/s 总压差= 0.4666 = 4.755 转速=780rad/min 水，无预旋 设计目标 水力效率最大 限制 B2 90 总压差pt 10%范围内 二、轴流泵优化 4.4.优化设计优化设计 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B2 90? 网格、计算模型、收 敛稳定性等的检查 对计算结果进行检查 5.5.结果结果部分优化设计模型部分优化设计模型 二、轴流泵优化 5.5.结果结果敏感性分析敏感性分析/ /样本数量样本数量 二、轴流泵优化 5.5.结果结果敏感性分析敏感性分析/ /预测系数预测系数CoPCoP

11、= . Q-流量 压差 P-轴功率 二、轴流泵优化 5.5.结果结果敏感性分析敏感性分析/ /初始模型最佳预测初始模型最佳预测MOPMOP 二、轴流泵优化 响应面： = (S1,z) 5.5.结果结果敏感性分析敏感性分析/ /平行坐标绘图平行坐标绘图 二、轴流泵优化 参数 目标 约束 5.5.结果结果优化优化 二、轴流泵优化 算法算法 采样数采样数 分析时间分析时间 分析时间分析时间/样本数样本数 效率效率 进化算法（EA） 330 72.2h 13.1min 69.9%+5% 自适应响应面方法 （ARSM） 540 26.3h 14.0min 69.3+4.4% 电脑配置： 2*Intel

12、Xeon 3.07 GHz，6 cores 64GB RAM 2核并行 5.5.结果结果优化优化 二、轴流泵优化 33 二、轴流泵优化 5.5.总结总结 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：= 4 转速：n = 90000 min-1 35

13、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 36 2、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 37 2、CFD数值模拟参数设置 模型处理模型处理 入口条件： 总压 1bar 温度 20 C 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 38 3、CFD模拟结果 总压比 功率 分级效率 叶轮效率 3.8 24260 0.61 0.81 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 39 CFturbo 叶轮设计 TurboGrid， ICEM-CFD 网格划分 C

14、FX 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：Pi 25.5 kW 总压比：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 优化前优化前 优化后优化后 叶轮直径 105mm 105.61mm 吸入口直径 56mm 53.71mm 出口宽度 3.2mm 2.85mm 叶片数 16 16 叶片角 55 58.6 包角 57 6

15、3.7 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 叶轮效率 imp 3.8 24260 0.61 0.81 4.0 23540 0.66 0.82 6、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。