混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪多學(xué)科并行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)一直是水輪機(jī)研究領(lǐng)域的核心熱點(diǎn)，目前傳統(tǒng)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法存在設(shè)計(jì)周期長、各學(xué)科之間信息傳遞滯后及難以保證獲得整體性能最優(yōu)解的缺點(diǎn)。為消除上述傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中的弊端，提高轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)技術(shù)水平，本文以建立混流式轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)框架為立足點(diǎn)，對葉片幾何形狀的參數(shù)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)變量的全局靈敏度分析、轉(zhuǎn)輪的多學(xué)科優(yōu)化求解策略及多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)開展了深入研究。本文主要工作如下：
　　綜合

2、全三維反問題設(shè)計(jì)方法與曲線參數(shù)化技術(shù)，形成混流式轉(zhuǎn)輪葉片的參數(shù)化全三維反問題設(shè)計(jì)模型。以貝塞爾曲線參數(shù)化技術(shù)為基礎(chǔ)，該設(shè)計(jì)模型采用一組離散參數(shù)對轉(zhuǎn)輪全三維反問題設(shè)計(jì)方法的邊界條件進(jìn)行表達(dá)。通過控制該組離散參數(shù)的變化可以實(shí)現(xiàn)反問題設(shè)計(jì)邊界條件的改變，進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)計(jì)所得葉片三維幾何形狀的目的。該設(shè)計(jì)模型不僅能有效實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中對轉(zhuǎn)輪性能的控制，同時(shí)也為轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)框架的建立奠定了基礎(chǔ)。
　　對混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的流固耦合求解方法開

3、展了對比分析，并選擇分離式流固耦合計(jì)算法作為混流式轉(zhuǎn)輪葉片流固耦合現(xiàn)象的求解計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，通過對比分離式流固耦合計(jì)算法中單向耦合與雙向耦合求解策略的計(jì)算差異及時(shí)間成本，選擇采用單向耦合求解策略作為后續(xù)多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算中葉片固體力學(xué)性能的分析方法。
　　建立了完整的混流式轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型，并通過分析簡化優(yōu)化問題中的學(xué)科耦合系統(tǒng)，確立了優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中樣本個(gè)體的多學(xué)科性能分析流程。為獲得準(zhǔn)確的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量全局靈敏度信息，

4、將最優(yōu)拉丁超立方抽樣技術(shù)與莫里斯(Morris)提出的OAT(One-at-A-Time)法相結(jié)合，以此為基礎(chǔ)開展各優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的全局靈敏度分析。該方法能有效改善原Morris OAT法中計(jì)算準(zhǔn)確性低、需進(jìn)行多次重復(fù)計(jì)算的缺點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)變量的全局靈敏度計(jì)算更為準(zhǔn)確、簡潔。
　　對轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化問題中的強(qiáng)弱耦合變量概念進(jìn)行闡述，引入模糊數(shù)學(xué)中隸屬度函數(shù)的概念，制定了設(shè)計(jì)變量耦合強(qiáng)弱程度的判定準(zhǔn)則。根據(jù)所制定的判定準(zhǔn)則及各設(shè)計(jì)變量的隸

5、屬度函數(shù)值對優(yōu)化設(shè)計(jì)變量開展了耦合強(qiáng)弱程度分類。分類結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)變量集中只存在一個(gè)弱耦合變量，其余為中等耦合變量。根據(jù)設(shè)計(jì)變量的耦合程度屬性，最終選擇采用多學(xué)科可行性優(yōu)化方法為核心的優(yōu)化求解策略作為混流式轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化的求解策略。采用該優(yōu)化求解策略對某混流式水輪機(jī)固定導(dǎo)葉開展了多學(xué)科優(yōu)化，通過優(yōu)化前后固定導(dǎo)葉性能的對比，可說明所采用的優(yōu)化求解策略具有有效性。
　　根據(jù)數(shù)據(jù)降維理論，引入距離空間的概念，本文提出一種嵌

6、入設(shè)計(jì)者偏好的多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法首先引入泛函分析中距離空間的概念，證明目標(biāo)函數(shù)空間為距離空間并在目標(biāo)函數(shù)空間中定義距離的公式；其次，采用先驗(yàn)法在目標(biāo)函數(shù)空間中嵌入設(shè)計(jì)者期望的性能參考點(diǎn)；最后，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)空間中距離概念的推廣，將混流式轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)閷で笮阅芫嚯x最小值對應(yīng)解的問題。采用該方法對NACA63-815水力翼型進(jìn)行了多攻角工況下的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化前后翼型水力性能的對比結(jié)果，驗(yàn)證了所提出的多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有可

7、靠性和有效性。
　　綜合混流式轉(zhuǎn)輪的參數(shù)化全三維反問題設(shè)計(jì)模型、多學(xué)科性能分析過程以及多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，最終建立混流式轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)框架。為驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)框架的有效性，采用其對一200米水頭段模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為三個(gè)工況下轉(zhuǎn)輪的水力性能和強(qiáng)度性能，并在優(yōu)化后詳細(xì)對比了優(yōu)化轉(zhuǎn)輪與原始轉(zhuǎn)輪的性能。對比結(jié)果表明，在優(yōu)化設(shè)計(jì)所針對的三個(gè)工況點(diǎn)下，優(yōu)化后轉(zhuǎn)輪葉片的水力性能和強(qiáng)度性能均有所提高，轉(zhuǎn)輪優(yōu)化后的水輪機(jī)全流道水