基于自由变形技术的离心压缩机分流叶片形状优化方法

技术领域

本发明涉及离心压缩机仿真优化领域，具体涉及一种基于自由变形技术的离心压缩机分流叶片形状优化方法。

背景技术

传统的参数化造型优化设计流程大都针对物体的几何特征进行参数化，而基于几何的参数化方法需要大量的设计变量去描述几何外形，这增加了优化设计难度，降低了优化流程的效率；

自由变形技术作为一种间接变形方法，是对几何空间的变化量进行参数化，适用于任何实体造型，无需对复杂的实体造型本身进行参数化。

如公开号为CN105243243A的中国专利文献“基于自由变形技术的车身气动造型优化方法”公开了一种基于自由变形技术的车身气动造型优化方法，包括以下步骤：首先建立简化的汽车车身模型，将该汽车车身模型上需要控制变形的点作为设计变量，并对这些设计变量设定边界控制条件，根据边界控制条件得到一定数量的汽车车身模型样本；利用自由变形方法得到这些方案的车身模型，并求出其相应的Cd值；然后构建近似模型，利用优化算法求解近似模型的最优解，根据最优解的控制点的位置，重新构建车身模型并得到其空气阻力系数Cd值，并与简化的原始模型的Cd值进行对比，如果没有降低返回S2修改边界条件或重新选取设计变量继续执行。

公开号为CN110309531A的中国专利文献“基于车身自由变形的汽车减阻优化方法”公开了一种基于车身自由变形的汽车减阻优化方法，该方法包括基于汽车车身STL文件和自由变形技术设计自由变形程序，建立汽车车身的参数化模型；以汽车的风阻系数为优化目标，考虑自由变形时车身正投影面积变化对风阻系数的影响，建立基于关键控制点进行自由变形的车身外流场仿真模型；基于样本点和响应构建kriging代理模型，利用遗传算法对所建立的kriging代理模型进行全局寻优，得到设计变量的最优组合；利用自由变形程序对原始车身STL文件进行变形处理，得到车身自由变形优化模型。

现有的基于自由变形技术的优化方法具有以下不足：

1.上述发明都是对模型建立自由变形控制体，而不是对计算网格建立自由变形控制体，这样每次改变模型都需要重新划分计算网格，降低了计算流程效率；

2.上述发明里的都只有一个优化目标，即都是单目标优化问题，因此不适用有具有多个评价指标的多目标优化问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种对计算网格建立自由变形控制体，提高计算流程效率的离心压缩机分流叶片形状优化方法。

本发明的技术方案：本发明所述的一种基于自由变形技术的离心压缩机分流叶片形状优化方法，包括如下步骤：

A.建立简化的离心压缩机叶轮三维模型，选取其中的一个主叶片和分流叶片组成单流道模型,并划分单流道计算网格；

B.在分流叶片周围设置自由变形控制体，构造模型网格节点与控制体顶点之间的映射关系；选取需要进行变形的控制体顶点作为活动控制点，其余顶点固定；将同一截平面上的活动控制点划分为一组，选取需要进行变形的控制点沿离心压缩机叶轮三维模型的中心轴线的转动角度作为设计变量，建立分流叶片外形的参数化模型；

C.用优化拉丁方方法抽取不同的设计变量组合组成样本点，计算各个样本点的压缩比和等熵效率；根据样本点的计算结果构建RSM响应面模型，建立控制点与压缩比和等熵效率的映射关系；

D.以压缩比和等熵效率最大化为优化目标，利用优化算法在响应面模型上寻优，得到使压缩机性能最佳的设计变量组合；

E.根据最优控制点的位置对原始叶轮进行自由变形处理，得到优化后的叶轮模型。

进一步的，所述步骤A包括如下步骤

A1.建立简化的离心压缩机叶轮三维模型；

A2.将叶轮三维模型与压缩机流域进行布尔运算得到叶轮全流道模型；

A3.将叶轮全流道模型按周期等分后得到单流道模型；

A4.对单流道模型划分计算网格。

进一步的，在所述A3中，将叶轮全流道模型等分为9个主叶片和9个分流叶片。

进一步的，所述模型网格节点与控制体顶点的位置关系(s,t,u)为：

其中x(s,t,u)为模型上网格节点的坐标值；l、m、n分别是控制体在3个方向的阶数；P

设计变量Δx(s,t,u)为：

其中ΔP

进一步的，还包括RSM响应面精度检测方法，包括在所述步骤C中，在所述RSM响应面模型建立后，任意选取5组在样本点之外的设计变量并进行仿真，将仿真值与响应面值进行对比。

进一步的，所述优化算法包括使用最小偏差法将多目标优化模型转化为单目标优化模型，然后使用序列二次规划算法在响应面模型上进行寻优。

进一步的，在所述步骤E中，对所述优化后的叶轮模型进行仿真，得到其压缩比和等熵效率，与初始所述简化的离心压缩机叶轮三维模型的压缩比和等熵效率进行比较，验证优化是否达到预期效果。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1.本发明基于自由变形技术的离心压缩机分流叶片形状优化方法可以减少设计变量，对计算网格建立自由变形控制体，这样每次改变模型都无需重新划分计算网格，节省重复划分网格的过程，提升优化设计效率，有效缩短设计周期。

2.以选取需要进行变形的控制点沿离心压缩机叶轮三维模型的中心轴线的转动角度作为设计变量，较传统沿XYZ坐标轴移动控制点运动的方式，更适合于叶轮；沿XYZ坐标轴移动控制点运动，会导致同组的控制点离轴线半径不同，位移的距离也不同，不方便控制，同样易导致导致叶轮的子午型线改变，即将单流道恢复为全流道后底面不再是一个回转体，现在改为沿中心轴线转动，解决此问题。

3.使用最小偏差法将多目标优化模型转化为单目标优化模型，使用序列二次规划算法在响应面模型上进行寻优，得到使压缩机性能最佳的设计变量组合。

附图说明

图1是本发明中实施例的流程示意图；

图2是在SolidWorks中建立的简化叶轮模型；

图3是叶轮的单流道计算模型；

图4是在分流叶片整体布置的自由变形控制体示意图；

图5是图4中分流叶片附近的活动控制点示意图；

图6是经设计变量对图4分流叶片自由变形处理后，优化后的分流叶片变形示意图。

其中，1-叶轮进气口、2-叶轮、3-叶轮出气口、4-主叶片、41-压力面、42-吸力面、5-分流叶片。

具体实施方式

为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

图1-6示出了本发明一种基于自由变形技术的离心压缩机分流叶片形状优化方法，包括如下步骤：

第一步，建立简化的离心压缩机叶轮三维模型，将叶轮三维模型与压缩机流域进行布尔运算得到叶轮全流道模型；将叶轮全流道模型按周期等分成将叶轮全流道模型等分为9个主叶片和9个分流叶片，选取其中的一个主叶片和分流叶片组成单流道模型,并划分单流道计算网格；

第二步，在分流叶片周围设置自由变形控制体，构造模型网格节点与控制体顶点之间的映射关系；选取需要进行变形的控制体顶点作为活动控制点，其余顶点固定；将同一截平面上的活动控制点划分为一组，选取需要进行变形的控制点的转角作为设计变量，建立分流叶片外形的参数化模型；

由于叶轮是个回转体，如果不沿圆周运动会导致叶轮的子午型线改变，即将单流道恢复为全流道后底面不再是一个回转体，因此，设计变量取转角，控制方便。

其中，分流叶片的周围设置自由变形控制体，包括纵向、横向和高度方向。

其中，模型网格节点与控制体顶点的位置关系(s,t,u)为：

其中x(s,t,u)为模型上网格节点的坐标值；l、m、n分别是控制体在3个方向的阶数；P

设计变量Δx(s,t,u)为：

当控制体顶点移动ΔP

第三步，用优化拉丁方方法抽取不同的设计变量组合组成样本点，计算各个样本点的压缩比和等熵效率；根据样本点的计算结果构建RSM响应面模型，建立控制点与压缩比和等熵效率的映射关系；任意选取5组在样本点之外的设计变量并进行CFD仿真，将仿真值与响应面值进行对比，用于检测RSM响应面精度。

第四步，以压缩比和等熵效率最大化为优化目标，利用优化算法，使用最小偏差法将多目标优化模型转化为单目标优化模型，然后使用序列二次规划算法在响应面模型上进行寻优在响应面模型上寻优，得到使压缩机性能最佳的设计变量组合；

第五步，根据最优控制点的位置对原始叶轮进行自由变形处理，得到优化后的叶轮模型，对所述优化后的叶轮模型进行仿真，得到其压缩比和等熵效率，与初始所述简化的离心压缩机叶轮三维模型的压缩比和等熵效率进行比较，验证优化是否达到预期效果。

如图4-5所示，自由变形控制体上的控制体顶点由纵向6层，横向4层，高度方向2层的控制点组成，即6×2×4个控制点，其中分流叶片5外围共有6×2×2个控制点组成，包络分流叶片。

如图5所示，选取分流叶片5根部的8个控制点P

如图6所示，四组控制点组的移动方向为沿离心压缩机叶轮三维模型的中心轴线进行转动，其中向主叶片4的吸力面41靠拢方向为设计变量增大方向，远离主叶片4的吸力面41方向为设计变量减小方向。

表1是使用优化拉丁方方法抽取的样本点及计算结果。

表1

根据表1中的数据建立响应面模型，然后在响应面模型上进行寻优得到本发明的一个较佳实施例，表2是优化前后设计变量对比。

表2表3是优化结果对比

表3

综上可知，优化后离心压缩机的压缩比π

等熵效率η

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。