混流式水輪機轉(zhuǎn)輪多學(xué)科并行優(yōu)化設(shè)計方法研究.pdf

1、轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)一直是水輪機研究領(lǐng)域的核心熱點，目前傳統(tǒng)的水輪機轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計方法存在設(shè)計周期長、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。為消除上述傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法中的弊端，提高轉(zhuǎn)輪設(shè)計技術(shù)水平，本文以建立混流式轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計框架為立足點，對葉片幾何形狀的參數(shù)化設(shè)計、設(shè)計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)計方法等轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計過程中的關(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)計模型。以貝塞爾曲線參數(shù)化技術(shù)為基礎(chǔ)，該設(shè)計模型采用一組離散參數(shù)對轉(zhuǎn)輪全三維反問題設(shè)計方法的邊界條件進行表達。通過控制該組離散參數(shù)的變化可以實現(xiàn)反問題設(shè)計邊界條件的改變，進而達到控制設(shè)計所得葉片三維幾何形狀的目的。該設(shè)計模型不僅能有效實現(xiàn)設(shè)計過程中對轉(zhuǎn)輪性能的控制，同時也為轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計框架的建立奠定了基礎(chǔ)。
　　對混流式水輪機轉(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算法作為混流式轉(zhuǎn)輪葉片流固耦合現(xiàn)象的求解計算方法。在此基礎(chǔ)上，通過對比分離式流固耦合計算法中單向耦合與雙向耦合求解策略的計算差異及時間成本，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)計過程中樣本個體的多學(xué)科性能分析流程。為獲得準確的優(yōu)化設(shè)計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)計變量的全局靈敏度分析。該方法能有效改善原Morris OAT法中計算準確性低、需進行多次重復(fù)計算的缺點，使得設(shè)計變量的全局靈敏度計算更為準確、簡潔。
　　對轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化問題中的強弱耦合變量概念進行闡述，引入模糊數(shù)學(xué)中隸屬度函數(shù)的概念，制定了設(shè)計變量耦合強弱程度的判定準則。根據(jù)所制定的判定準則及各設(shè)計變量的隸

5、屬度函數(shù)值對優(yōu)化設(shè)計變量開展了耦合強弱程度分類。分類結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計變量集中只存在一個弱耦合變量，其余為中等耦合變量。根據(jù)設(shè)計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)計者偏好的多工況優(yōu)化設(shè)計方法。該方法首先引入泛函分析中距離空間的概念，證明目標函數(shù)空間為距離空間并在目標函數(shù)空間中定義距離的公式；其次，采用先驗法在目標函數(shù)空間中嵌入設(shè)計者期望的性能參考點；最后，根據(jù)目標函數(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水力翼型進行了多攻角工況下的優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化前后翼型水力性能的對比結(jié)果，驗證了所提出的多工況優(yōu)化設(shè)計方法具有可

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)計模型、多學(xué)科性能分析過程以及多工況優(yōu)化設(shè)計方法，最終建立混流式轉(zhuǎn)輪多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計框架。為驗證該優(yōu)化設(shè)計框架的有效性，采用其對一200米水頭段模型水輪機轉(zhuǎn)輪進行了優(yōu)化，優(yōu)化目標為三個工況下轉(zhuǎn)輪的水力性能和強度性能，并在優(yōu)化后詳細對比了優(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)計所針對的三個工況點下，優(yōu)化后轉(zhuǎn)輪葉片的水力性能和強度性能均有所提高，轉(zhuǎn)輪優(yōu)化后的水輪機全流道水