葉輪優(yōu)化設(shè)計的案例
漫談離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計
吉林省宇琦泵業(yè)有限公司
摘 要：葉輪是影響離心泵性能的主要水力零件，涉及到人們關(guān)注的泵的整體能效和運行可靠性。本文從定性的角度、結(jié)合經(jīng)驗及同行們的研究成果來簡要談一談如何通過優(yōu)化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能，僅供參考。
關(guān)鍵詞：離心泵 葉輪 優(yōu)化 吸入性能 水力性能
引言
有朋友希望我談一談離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計。為此，首先必須要弄清楚優(yōu)化的目的：改善吸入性能？提高泵的效率？調(diào)整Q-H曲線的上升幅度……其次再根據(jù)具體需要進行優(yōu)化。
影響離心泵性能的主要水力零件是葉輪，另外，還包括與其配合的蝸殼/導葉等過流零件。其實，對于離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計，作者在微信公眾號《泵沙龍》里不少文章中都有部分涉及，如：《全面理解汽蝕及其對離心泵的影響》、《全面理解離心泵吸入比轉(zhuǎn)速》、《葉輪幾何參數(shù)對離心泵性能的影響》等等。
流體機械屬于一門半理論、半經(jīng)驗的學科，還存在很多無法準確設(shè)計/模擬/預測的地方，例如不同結(jié)構(gòu)、不同溫度、不同泵送介質(zhì)下無法準確地模擬出流體真實的流態(tài)及其對泵性能的影響。因此，本文只能從定性的角度、結(jié)合經(jīng)驗及同行們的研究成果來簡要談一談如何優(yōu)化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能。僅供參考。
改善吸入性能
經(jīng)常會看到來自各種專家的期刊文章，介紹汽蝕所造成損傷的類型、原因和解決方案。然而，對于普通工程師和現(xiàn)場操作人員來說，汽蝕現(xiàn)象的診斷及避免/消除并不簡單，往往很難糾正。
葉輪葉片有兩種彎曲型式：前彎曲和后彎曲。由于后彎葉片葉輪在最大化動力、賦予流體高旋轉(zhuǎn)力及防止脫流方面更有效，因此離心泵通常均采用后彎曲葉片葉輪。
對于泵本體來說，泵的汽蝕行為和吸入性能在很大程度上受葉輪入口（eye處）的幾何形狀及面積的影響。
展開 葉輪機械設(shè)計仿真優(yōu)化
然而，在 NUMECA軟件平臺中,具有專業(yè)的多物理場耦合 Ipcc方法、氣動噪聲分析 FINE/VNoise、葉輪參數(shù)化擬合及造型 AotuBlade、優(yōu)化平臺 FINE/Design3D，使得NUMECA成為目前唯一的一體化的葉輪機械設(shè)計分析優(yōu)化平臺。
其他諸如 Fluent、 Star CCM+等通用CFD求解器，也能較好的提供葉輪機械氣動仿真解決方案，相比具有具有專用模塊的CFX和 NUMECA,通用CFD求解器在葉輪機械仿真前處理、求解和后處理過程中，效率較為低下，精度和準確度相對低一些，計算開銷較大。這里需要大家腦補一下周期性計算、B2B拓撲調(diào)整、子午展開等概念。
葉輪機械設(shè)計仿真優(yōu)化從業(yè)者要想在該領(lǐng)域內(nèi)閑庭信步，并顯得毫不費力，需要深厚的理論知識、豐富的工程經(jīng)驗和設(shè)計仿真軟件使用精通三個維度的加持。
工欲善其事，必先利其器，選擇幾本理論書籍、積累工程經(jīng)驗、選擇一款優(yōu)秀的設(shè)計仿真軟件，是我們通往葉輪機械設(shè)計仿真優(yōu)化成功的必經(jīng)之路。
另外，大型葉輪機械CFD微信群已建立，已有320多人參加，高效研究所企業(yè)仿真機構(gòu)各路大神等你來哦，微信號見評論。
展開 葉輪機械優(yōu)化設(shè)計與數(shù)據(jù)挖掘的研究
尊敬的各位老師，今天與大家分享第15期學術(shù)報告，西安交通大學宋老師等，葉輪機械優(yōu)化設(shè)計與數(shù)據(jù)挖掘的研究，謝謝宋老師等人的分享！
“風扇葉輪智能優(yōu)化設(shè)計”榮獲科研十大智能標桿案例
天洑憑借 “風扇葉輪智能優(yōu)化設(shè)計” 案例，成功入選。該案例是基于天洑自主研發(fā)的優(yōu)化設(shè)計軟件AIPOD實現(xiàn)的成功實踐，充分彰顯了公司在工業(yè)軟件領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累與硬核創(chuàng)新能力，獲得了國家級權(quán)威機構(gòu)的高度認可。
天洑將繼續(xù)專注工業(yè)人工智能與物理AI領(lǐng)域的研發(fā)應用，以創(chuàng)新技術(shù)驅(qū)動產(chǎn)業(yè)智能化。
Pumplinx車輛行業(yè)CFD應用與CFturbo葉輪機械優(yōu)化設(shè)計
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CFturbo活動：
海基科技將聯(lián)合CFturbo software & Engineering 公司于2016年6月23日在上海舉辦“CFturbo葉輪機械優(yōu)化設(shè)計技術(shù)沙龍”活動，屆時將由來自德國CFturbo公司的葉輪機械設(shè)計專家為您帶來前沿的葉輪機械設(shè)計報告、國外設(shè)計理念、成功設(shè)計案例、CFturbo最新研發(fā)進展和在葉輪機械設(shè)計領(lǐng)域所取得成果分享。海基科技誠邀您參加。
詳情請點擊：http://www.hikeytech.com/index.php?m=Article&a=show&id=384&atcatid=66
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展開 FC部件|基于 CFD 仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優(yōu)化設(shè)計
離心空壓機通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)對工質(zhì)進行做功,持續(xù)輸出壓縮空氣,離心空壓機的性能主要由其中的葉輪決定。燃料電池空壓機葉輪與傳統(tǒng)車用渦輪增壓器葉輪的設(shè)計需求差別較大,傳統(tǒng)渦輪增壓器葉輪需要較寬的流量范圍;而燃料電池所需要的離心空壓機需要較高的壓比,不需要過寬的流量范圍。
1 葉輪的設(shè)計
1.1 設(shè)計方法
高性能葉輪的葉片是復雜的三維結(jié)構(gòu),在設(shè)計時不僅要考慮到氣動性能與結(jié)構(gòu)強度,還要考慮加工工藝,以便于進行側(cè)銑加工,總體設(shè)計難度較大。葉輪設(shè)計基本有兩種方式:(1)根據(jù)設(shè)計目標全新設(shè)計;(2)對現(xiàn)有葉輪進行設(shè)計優(yōu)化。
全新設(shè)計葉輪需要根據(jù)設(shè)計目標,首先從一維設(shè)計軟件中預測基本的幾何參數(shù),再通過三維設(shè)計軟件對性能進行優(yōu)化。全新設(shè)計葉輪需要很長的時間周期,而且設(shè)計難度較大。在工程開發(fā)上多采用第二種方式,即對現(xiàn)有葉輪重新設(shè)計并進行優(yōu)化。
文中采用第二種方式,對現(xiàn)有某車用渦輪增壓器葉輪進行快速設(shè)計,以達到燃料電池離心空壓機的設(shè)計目標需求。
展開 葉輪機械設(shè)計分析優(yōu)化軟件
這些軟件，你見過多少？你會多少？
基于高精度湍流模擬的葉輪機械設(shè)計與優(yōu)化 清華大學蘇欣榮
來源：熱機氣動熱力學與流體機械
應用CFD數(shù)值模擬對離心通風機葉輪進行設(shè)計分析
為了設(shè)計出高性能的通風機，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已滿足不了需要，必須采用現(xiàn)代設(shè)計理論和方法。這就要求設(shè)計者必須詳細掌握流體機械性能和內(nèi)部流動狀況，從而給流體機械內(nèi)部流動理論和試驗研究提出了新的課題。而大型商用CFD軟件的出現(xiàn)給風機的數(shù)值模擬帶來了極大的便利，使人們對風機內(nèi)部流場有了更深入地了解。
在設(shè)計制造流體機械時，一般的過程為設(shè)計、樣機性能試驗、制造。如果采用CFD方法通過計算機進行樣機性能試驗，能夠很好地在圖紙設(shè)計階段，預測流體機械的性能和內(nèi)部流動產(chǎn)生的漩渦、二次流、邊界層分離、尾流、葉片顫振等不良現(xiàn)象，力求將可能發(fā)生故障的隱患消滅在圖紙設(shè)計階段，在一定程度上取代了試驗，以達到降低成本、縮短研制周期的目的。
本次優(yōu)化設(shè)計，采用FloWorks軟件對公司老產(chǎn)品9-26系列外徑為1120mm的葉輪內(nèi)部流體運動進行全三維的數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比，同時對葉輪內(nèi)部流場進行了分析，為改進流體機械提供依據(jù)。
展開 旋轉(zhuǎn)機械CFD仿真解決方案合集，涉及發(fā)動機、風機、水輪機（內(nèi)含6個免費干貨視頻）
技術(shù)鄰平臺和Cadence達成緊密合作，截至目前為止已經(jīng)推出了數(shù)場基于Cadence Fidelity的CFD模擬系列直播，本期為大家介紹8月13日即將推出的【基于Cadence高保真CFD方案的先進透平機械設(shè)計】，同時為大家整理了往期精彩直播錄播，點擊即可觀看全部內(nèi)容，文末還有精彩課程0元領(lǐng)取！不要錯過！
2023年5月18日 一站式葉輪機械設(shè)計與優(yōu)化方案
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葉輪機械的設(shè)計和優(yōu)化對于提高機械效率、降低能耗、延長機械壽命具有重要意義。葉輪機械的優(yōu)化設(shè)計需要3D造型，網(wǎng)格構(gòu)建及性能評估等多次迭代，如何構(gòu)建全自動化流程及減少人工干預，答案就在本期“Fidelity一站式葉輪機械優(yōu)化設(shè)計流程介紹”。本次直播主要介紹基于Fidelity的葉輪機械設(shè)計與優(yōu)化流程。包括：葉片初始設(shè)計、詳細設(shè)計、3D建模與逆向、CFD前處理與計算、多目標優(yōu)化等。
2023年6月27日 Cadence Fidelity 葉輪機械設(shè)計與優(yōu)化系列專題-第二期
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旋轉(zhuǎn)機械的CFD模擬需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)和靜止兩個計算域。構(gòu)建旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的網(wǎng)格并建立兩個區(qū)域的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系是旋轉(zhuǎn)機械CFD關(guān)注的最重要的主題。如何采用更專業(yè)的葉輪機械CFD工具建立高質(zhì)量的葉片流道和蝸殼網(wǎng)格并建立動靜部件的關(guān)聯(lián)，進而執(zhí)行高精度快速求解，答案就在本期的“基于混合網(wǎng)格的渦輪增壓器CFD仿真”網(wǎng)絡(luò)研討會。本次直播作為Cadence Fidelity 葉輪機械設(shè)計與優(yōu)化系列專題的第二期，詳細介紹基于Fidelity CFD的葉輪機械模擬實現(xiàn)方法。
展開 帶有Scallops結(jié)構(gòu)的渦輪葉輪優(yōu)化
近期，CAESES與合作伙伴MTU公司（世界領(lǐng)先的柴油發(fā)動機制造商）以及Darmstadt大學共同研發(fā)出了一套專門針對渦輪增壓器渦輪葉輪的幾何處理系統(tǒng)。
在渦輪設(shè)計部分，主要思路是利用CAESES的幾何優(yōu)化平臺將CFD流體分析和結(jié)構(gòu)應力分析整合在一起。除此以外，還考慮了scallops結(jié)構(gòu)的影響。
整合CFD流體分析以及結(jié)構(gòu)應力分析
通常情況下，CFD流體工程師和結(jié)構(gòu)工程師隸屬于不同的工作部門，在對渦輪葉輪分析時，大家對幾何的處理各不相同。我們的目標是創(chuàng)建一種統(tǒng)一的幾何模型，能同時適用于流體和結(jié)構(gòu)這兩個不同領(lǐng)域的自動優(yōu)化。
渦輪葉片
葉輪的造型是通過一組參數(shù)來實現(xiàn)變化的，既可以手動調(diào)整，也可以由優(yōu)化算法驅(qū)動變形。在CAESES中，所有的葉片造型都能夠百分百的穩(wěn)定運行，同時滿足生產(chǎn)過程中的約束。由于任何一個設(shè)計方案會涉及到大量的計算分析，選取的變形參數(shù)需要非常高效。
Scallops
Scallops結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)廣泛用于渦輪增壓器的生產(chǎn)。其主要作用是在半徑較大處減少葉輪的質(zhì)量，這對降低轉(zhuǎn)動慣量和離心力比較有利。然而，這種幾何變化通常會導致空氣動力性能的損耗。因此，這項工作的挑戰(zhàn)是找到一個合適的Scallop結(jié)構(gòu)（與之對應一個葉片設(shè)計），能夠最好地權(quán)衡流體性能及結(jié)構(gòu)應力情況。
周期計算域
在自動化的CFD流體性能優(yōu)化過程中，CAESES能夠自動創(chuàng)建周期性的計算域，并輸出給CFD計算工具（此項目中采用了NUMECA）。
也可以只針對單只葉片進行結(jié)構(gòu)分析，并可以在CAESES中可以通過內(nèi)部嵌套的優(yōu)化策略自動計算輪轂處的最大倒圓半徑。
展開 
CAESES在離心葉輪造型及優(yōu)化上的應用
在CAESES中可以采用專門的離心葉輪建模方法快速、方便的構(gòu)建離心葉輪全參數(shù)化模型，也可以針對特殊結(jié)構(gòu)進行造型研究（如下圖向心渦輪中的星型結(jié)構(gòu)）。
葉輪模型
本文將以某離心壓氣機葉輪為例介紹CAESES中進行離心葉輪參數(shù)化建模及優(yōu)化的方法。
全參數(shù)化模型
離心葉輪的建模難點在于葉片曲面的構(gòu)建及參數(shù)化表達，CAESES對于離心式葉輪的構(gòu)建，主要分為三個部分的內(nèi)容：
1. 在子午平面上限定hub、shroud、LE、TE的形狀和位置曲線；
2. 在空間中創(chuàng)建一系列的中弧面流線并耦合成葉片中弧面；
3. 使用中弧面加厚度分布的方法創(chuàng)建出葉片曲面。
展開 CAESES離心壓氣機葉輪優(yōu)化案例分享
葉輪是離心壓氣機的核心部分，是主要做功部件，其模型的變化對壓氣機性能有著關(guān)鍵的影響。我們選擇了一款現(xiàn)有的離心壓氣機葉輪模型，采用CAESES軟件結(jié)合CFD仿真工具，對其氣動性能進行優(yōu)化。該離心壓氣機主要性能參數(shù)及葉輪模型如下所示：
工作介質(zhì)
空氣
流量
0.8kg/s
轉(zhuǎn)速
100000r/min
該優(yōu)化案例的優(yōu)化目標為在轉(zhuǎn)速和流量保持不變的情況下，盡可能地提高效率和壓比
優(yōu)化流程
對離心壓氣機葉輪的性能進行優(yōu)化，首先需要控制其模型進行變化。CAESES提供了一個CAD環(huán)境，能夠高效的創(chuàng)建參數(shù)化模型并進行變形控制，方便靈活的生成多個不同的幾何模型。基于CAESES輸出的模型，可以在CFD軟件中構(gòu)建自動化網(wǎng)格劃分及仿真分析流程，并通過CAESES軟件進行調(diào)用，提取仿真分析得到的性能結(jié)果。最后，設(shè)置CAESES里的優(yōu)化算法，根據(jù)仿真分析的結(jié)果調(diào)整葉輪模型參數(shù)，對葉輪性能進行自動優(yōu)化。例如，CAESES結(jié)合CFX軟件進行優(yōu)化的典型流程如下：
模型的創(chuàng)建及變形控制
首先在CAESES軟件中構(gòu)建全參數(shù)化葉輪模型，關(guān)鍵步驟如下：
1. 首先定義葉輪子午流道型線及前尾緣位置；
2. 流道可采用樣條曲線，直線+圓弧等多種形式，可按照不同需求定義流道型線參數(shù)（此處采用直線+圓弧形式）；
3. 之后可按照θ（包角）或β（切向角）分布曲線來生成葉片中弧線；
4. 沿葉片高度方向生成多條中弧線，即可組合生成葉片中弧面；
5. 基于中弧面給定葉片厚度分布曲線，即可生成葉片表面；
6. 同樣的可生成小葉片模型，并設(shè)置大小葉片間的角度差為參數(shù)。
展開 優(yōu)化設(shè)計分析系列（一）:靜力學優(yōu)化設(shè)計 ￥9
1.1 優(yōu)化設(shè)計概述
所謂優(yōu)化，是指最大化或最小化，而優(yōu)化設(shè)計是指尋找一種方案以滿足所有的設(shè)計要求，并且需要的支出最少。
優(yōu)化設(shè)計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數(shù)值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法取得了較大的發(fā)展。根據(jù)設(shè)計變量的類型不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化已由較低層次的尺寸優(yōu)化發(fā)展到較高層次的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化，進而發(fā)展到更高層次的拓撲優(yōu)化。優(yōu)化算法也由簡單的準則法發(fā)展到數(shù)學規(guī)劃法，進而發(fā)展到遺傳算法等。
在保證產(chǎn)品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè)計變量，使產(chǎn)品的指標或性能達到最期望的目標，就是優(yōu)化方法。
1.2 優(yōu)化分析工具
ANSYS Workbench 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優(yōu)化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅(qū)動優(yōu)化分析工具)、Parameters Correlation(參數(shù)相關(guān)性優(yōu)化分析工具)、Response Surface(響應曲面優(yōu)化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優(yōu)化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優(yōu)化工具):設(shè)置優(yōu)化目標，利用默認參數(shù)進行優(yōu)化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅(qū)動優(yōu)化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設(shè)計點。
(3)Parameters Correlation(參數(shù)相關(guān)性優(yōu)化分析工具):可以得出某一輸入?yún)?shù)對響應曲面的影響的大小。
展開 【CFD專欄】基于CFD仿真、元建模和貝葉斯推斷方法的離心泵優(yōu)化設(shè)計
采用元模型和貝葉斯推斷等技術(shù)方法進行葉輪設(shè)計優(yōu)化，其中，元模型基于拉丁超立方抽樣法（LHS）數(shù)據(jù)庫，通過高斯過程回歸（GPR）構(gòu)建。研究工作最終改善了高流速工況下的空化問題，優(yōu)化方案在設(shè)計點處揚程提高了25%，在操作范圍的其他工況點處提升更高。
