CN109145321B - 一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法，初步确定离心泵转速、出口端节流阀开度和入口端节流阀开度三个性能参数；建立离心泵三维水力模型，对模型进行网格划分；采用正交试验设计方法安排试验的顺序与数量，并采用ANSYS FLUENT软件进行数值计算；以轴功率和阻力损失为目标函数，以实际扬程、流程及汽蚀余量为约束条件，建立以性能参数为设计变量的二次响应面模型；采用多目标遗传算法求解符合实际运行工况的性能参数；最后再次验证性能参数优化组合方式的准确性。本发明提高了离心泵变工况运行设计的准确性与科学性，为离心泵节能优化设计提供了理论与技术支持。

Description

一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法

技术领域

本发明涉及旋转流体机械节能调节领域，尤其涉及一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法。

背景技术

离心泵既是应用最广泛的化工通用机械设备，又是能耗最高的流体机械设备。据统计，我国的电能消耗中，泵类的电能消耗约占总消耗量的21％。因此，如何合理优化设计以及使用离心泵设备，有效地降低泵的能源消耗量，成为现代流体机械领域的研究重点。

目前，由于设计规范、泵型号等条件的限制以及工况环境的动态化、复杂化等特点，离心泵在实际运行过程中，需根据离心泵设计工况对泵的实际运行工况进行适当的调整，以满足实际流量与扬程的使用要求。现阶段，改变离心泵运行工况的途径主要由三种：一是单独改变管路的性能曲线，以出口端节流调节方法为主；二是单独改变泵的特性曲线，以变速调节法为主；三是同时改变管路的性能曲线和泵的特性曲线，以入口端节流调节方法为主。

上述的三种改变离心泵运行工况的途径，目前是采用半理论半经验相结合的方式分别对离心泵的出口端节流阀开度、转速和入口端节流阀开度进行调节，以达到改变离心泵运行工况的目的，若同时通过上述三种方式实现离心泵的运行工况的改变，仅仅依靠半理论半经验相结合的方式往往会产生某些副作用，对离心泵的寿命产生影响，例如入口端节流阀调节易使泵产生汽蚀现象，从而严重的影响离心泵的使用寿命。而计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)已经成为流体力学研究方法中最有活力的领域，为复杂的非定常三维湍流数值模拟提供了一种理论可靠、符合实际的模拟工具。因此，将CFD数值模拟技术引入离心泵变工况运行中，通过对上述三种变工况运行方式进行理论分析与数值计算，建立三种变工况运行方式之间的相互耦合数学模型，以轴功率最小以及阻力损失最小为目标函数，以离心泵的转速、入口端节流阀开度和出口端节流阀开度为设计变量，以离心泵的实际扬程、流量以及汽蚀余量为约束条件，通过遗传算法的多目标优化理论对输入变量进行优化求解，实现通过三种方式对离心泵变工况运行的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法，通过对离心泵转速、出口端节流阀开度和入口端节流阀开度三个参数的优化设计，从而实现离心泵变工况运行高效节能的设计要求。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一：根据离心泵设计工况的性能参数，设离心泵设计转速为n、出口端节流阀最大开度为x以及入口端节流阀最大开度为y，初步确定离心泵变工况运行时其转速n_i、出口端节流阀开度x_i、入口端节流阀开度y_i；

步骤二：根据步骤一所述的性能参数，采用SolidWorks、Pro/E等三维造型软件绘制离心泵的三维水力模型，保存为*.stp文件，并导入ANSYS ICEM CFD网格生成软件中，采用非结构化四面体网格方式对离心泵的三维水力模型进行网格划分，将网格文件导入ANSYS FLUENT软件中进行网格质量的检查，若网格出现负体积、左手网格等问题，需要在ANSYS ICEM CFD网格生成软件中对网格划分的参数进行适当的调整，直至网格质量符合要求为止；

步骤三：根据步骤一初步确定的三个性能参数，采用正交试验设计方法进行多方案设计，由正交试验设计方法确定的试验方案设置不同的边界条件，通过ANSYS FLUENT软件进行不同方案的数值模拟计算；

步骤四：设目标函数为轴功率P_z为和阻力损失ΔP，设计变量为转速n_i、出口端节流阀开度x_i和入口端节流阀开度y_i，约束条件为离心泵的实际扬程H_i、流量Q_i以及汽蚀余量NPSH_i，分别建立离心泵轴功率P_z和阻力损失ΔP与三个性能参数之间的二次响应面模型：

轴功率与三个性能参数之间的二次响应面模型为：

阻力损失与三个性能参数之间的二次响应面模型为：

式中，a_i与b_i为系数，i＝0,1,2,……,9，其值由最小二乘法求解；

目标函数优化模型为：

min P_z＝F₁(x_i,y_i,n_i,)

minΔP＝F₂(x_i,y_i,n_i,)

步骤五：采用多目标遗传算法求解步骤四中目标优化模型，在满足约束条件的情况下，得到符合实际运行工况的转速n_i、出口端节流阀开度x_i和入口端节流阀开度y_i三个性能参数的优化组合方式；

步骤六：根据变工况运行的最优性能参数对离心泵三维水力模型进行二次三维非定常湍流数值计算，检验是否达到实际工况运行要求，若未达到实际工况运行要求，重复步骤一至步骤五，若达到，可进行试验验证。

本发明的有益效果如下：

(1)以离心泵转速、出口端节流阀开度和入口端节流阀开度为设计变量，以实际扬程、流程和汽蚀余量为约束条件，分别建立离心泵轴功率和阻力损失与三个设计变量之间的多元非线性回归方程，并通过多目标遗传算法对目标函数的求解，最终得到在满足实际运行工况的前提下，三个设计变量的最优解，提高了离心泵变工况运行设计的准确性与科学性；

(2)基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法，不仅适用于同一比转速的离心泵变工况运行情况，而且也适用于不同比转速的离心泵变工况运行情况，为离心泵节能优化设计提供了理论与技术支持。

附图说明

图1为本发明的一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法的流程图；

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的一个实施例作进一步描述：

所述的一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法，如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤一：根据离心泵设计工况的性能参数，设离心泵设计转速为n、出口端节流阀最大开度为x以及入口端节流阀最大开度为y，初步确定离心泵变工况运行时其转速n_i、出口端节流阀开度x_i、入口端节流阀开度y_i；

步骤二：根据步骤一所述的性能参数，采用SolidWorks、Pro/E等三维造型软件绘制离心泵的三维水力模型，保存为*.stp文件，并导入ANSYS ICEM CFD网格生成软件中，采用非结构化四面体网格方式对离心泵的三维水力模型进行网格划分，将网格文件导入ANSYS FLUENT软件中进行网格质量的检查，若网格出现负体积、左手网格等问题，需要在ANSYS ICEM CFD网格生成软件中对网格划分的参数进行适当的调整，直至网格质量符合要求为止；

步骤三：根据步骤一初步确定的三个性能参数，采用正交试验设计方法进行多方案设计，由正交试验设计方法确定的试验方案设置不同的边界条件，通过ANSYS FLUENT软件进行不同方案的数值模拟计算；

步骤四：设目标函数为轴功率P_z为和阻力损失ΔP，设计变量为转速n_i、出口端节流阀开度x_i和入口端节流阀开度y_i，约束条件为离心泵的实际扬程H_i、流量Q_i以及汽蚀余量NPSH_i，分别建立离心泵轴功率P_z和阻力损失ΔP与三个性能参数之间的二次响应面模型：

轴功率与三个性能参数之间的二次响应面模型为：

阻力损失与三个性能参数之间的二次响应面模型为：

式中，a_i与b_i为系数，i＝0,1,2,……,9，其值由最小二乘法求解；

目标函数优化模型为：

min P_z＝F₁(x_i,y_i,n_i,)

minΔP＝F₂(x_i,y_i,n_i,)

所述的正交试验设计方法进行多方案设计，将离心泵转速n_i分为0.2n、0.4n、0.6n、0.8n和n等五种不同的转速，而将离心泵出口端节流阀开度x_i分为0.1x、0.2x、0.3x、0.4x、0.5x、0.6x、0.7x、 0.8x、0.9x和x等十种不同的开度，同时入口端节流阀开度y_i按照出口端节流阀开度进行划分，按照正交试验设计方法的原理，设计规格化的正交表安排试验顺序与数量。

步骤五：采用多目标遗传算法求解步骤四中目标优化模型，在满足约束条件的情况下，得到符合实际运行工况的转速n_i、出口端节流阀开度x_i和入口端节流阀开度y_i三个性能参数的优化组合方式；

步骤六：根据变工况运行的最优性能参数对离心泵三维水力模型进行二次三维非定常湍流数值计算，检验是否达到实际工况运行要求，若未达到实际工况运行要求，重复步骤一至步骤五，若达到，可进行试验验证。

Claims (1)

1.一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：根据离心泵设计工况的性能参数，设离心泵设计转速为n、出口端节流阀最大开度为x以及入口端节流阀最大开度为y，初步确定离心泵变工况运行时其转速n_i、出口端节流阀开度x_i、入口端节流阀开度y_i；

步骤二：根据步骤一所述的性能参数，采用SolidWorks、Pro/E等三维造型软件绘制离心泵的三维水力模型，保存为*.stp文件，并导入ANSYS ICEM CFD网格生成软件中，采用非结构化四面体网格方式对离心泵的三维水力模型进行网格划分，将网格文件导入ANSYSFLUENT软件中进行网格质量的检查，若网格出现负体积、左手网格等问题，需要在ANSYSICEM CFD网格生成软件中对网格划分的参数进行适当的调整，直至网格质量符合要求为止；

步骤三：根据步骤一初步确定的三个性能参数，采用正交试验设计方法进行多方案设计，由正交试验设计方法确定的试验方案设置不同的边界条件，通过ANSYS FLUENT软件进行不同方案的数值模拟计算；

步骤四：设目标函数为轴功率P_z为和阻力损失ΔP，设计变量为转速n_i、出口端节流阀开度x_i和入口端节流阀开度y_i，约束条件为离心泵的实际扬程H_i、流量Q_i以及汽蚀余量NPSH_i，分别建立离心泵轴功率P_z和阻力损失ΔP与三个性能参数之间的二次响应面模型：

轴功率与三个性能参数之间的二次响应面模型为：

阻力损失与三个性能参数之间的二次响应面模型为：

式中，a_i与b_i为系数，i＝0,1,2,……,9，其值由最小二乘法求解；

目标函数优化模型为：

min P_z＝F₁(x_i,y_i,n_i,)

minΔP＝F₂(x_i,y_i,n_i,)

步骤五：采用多目标遗传算法求解步骤四中目标优化模型，在满足约束条件的情况下，得到符合实际运行工况的转速n_i、出口端节流阀开度x_i和入口端节流阀开度y_i三个性能参数的优化组合方式；

步骤六：根据变工况运行的最优性能参数对离心泵三维水力模型进行二次三维非定常湍流数值计算，检验是否达到实际工况运行要求，若未达到实际工况运行要求，重复步骤一至步骤五，若达到，可进行试验验证。

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