用于泵流道拓扑优化的伴随灵敏度方法研究
发布时间：2021-08-30 17:58
离心泵是一种应用越来越广泛的通用流体机械,同时也是一个耗能巨大的设备。当前国内离心泵效率普遍偏低,有很大的改进空间,以此展开了离心泵优化设计方法的研究。但目前多数离心泵优化设计方法都存在模型复杂且计算量大的问题。因此深入研究离心泵内部流动规律,发展快速、便捷的离心泵优化设计方法具有重大意义。本文主要是研究了一种用于离心泵流道拓扑优化的伴随灵敏度方法。首先在管道流体拓扑优化的基础上,通过结合多重参考坐标系（Multiple Reference Frames,MRF）将其拓展到旋转机械的流道拓扑优化当中。在该流体拓扑优化方法中,采用多孔介质描述设计域,流体的运动采用含有达西定律的N-S方程描述,离心泵的叶片和流道被划分到了同一个计算域,并通过网格将计算域离散化。每个单元引入一个连续的材料密度作为设计变量,材料密度为0和1,分别表示固体区域和流体区域。推导了旋转坐标系下含有达西定律的N-S方程,编写求解器对离心泵的多孔介质模型进行了流动分析求解,并对其在不同渗透系数下的求解精度进行了对比分析。针对离心泵流道拓扑优化中的灵敏度求解,导出了旋转坐标系下含有达西定律的N-S方程对应的一般性伴随方程...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景
1.2 离心泵优化设计方法综述
1.3 流体拓扑优化方法的发展
1.4 灵敏度分析的伴随方法
1.5 本文研究内容
2 开源软件OpenFOAM基本原理及使用
2.1 OpenFOAM简介
2.2 控制方程及边界条件
2.2.1 稳态不可压缩流体N-S方程
2.2.2 k-ωSST湍流模型
2.3 SIMPLE算法原理
2.4 OpenFOAM下的离心泵求解
2.5 本章小结
3 离心泵多孔介质模型的研究
3.1 多孔介质模型的原理
3.2 多孔介质模型在旋转机械中的应用
3.3 离心泵多孔介质模型前处理及计算设置
3.3.1 计算模型及网格
3.3.2 非均匀场处理方法
3.3.3 边界条件及计算设置
3.4 离心泵多孔介质模型的计算
3.4.1 多孔介质模型求解结果的可靠性
3.4.2 不同α值下的结果精度对比
3.5 本章小结
4 伴随方法灵敏度分析
4.1 灵敏度分析表达式的构建
4.2 伴随方程的推导
4.3 伴随边界条件的推导
4.4 伴随灵敏度验证
4.4.1 具体目标函数及插值格式下的伴随方程
4.4.2 伴随灵敏度验证算例
4.4.3 伴随灵敏度验证结果
4.5 本章小结
5 离心泵流道拓扑优化模型
5.1 目标函数的选取
5.2 设计变量说明
5.3 约束条件
5.4 优化模型及流程
5.4.1 优化问题的数学模型
5.4.2 优化方法
5.4.3 优化流程
5.5 本章小结
结论与展望
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于自由曲面变形方法的离心泵三维叶片反问题方法[J]. 张人会,张书玮,杨军虎,鲁煜杰. 工程热物理学报. 2018(01)
[2]基于NSGA-Ⅱ遗传算法高比转速混流泵多目标优化设计[J]. 王春林,叶剑,曾成,夏勇,罗波. 农业工程学报. 2015(18)
[3]基于伴随方法的离心泵叶轮优化设计[J]. 张人会,郭苗,杨军虎,刘宜. 排灌机械工程学报. 2014(11)
[4]基于响应面法的消防泵S型叶片改进优化设计[J]. 王春林,彭海菠,丁剑,刘栋. 机械工程学报. 2013(10)
[5]多级离心泵半开式叶轮参数优化的数值研究[J]. 吴大转,孙幼波,陈涛,许斌杰,王乐勤. 工程热物理学报. 2013(01)
[6]基于OpenFOAM的离心泵内部流动数值模拟[J]. 任芸,刘厚林,吴登昊,谈明高,舒敏骅. 应用基础与工程科学学报. 2012(06)
[7]RESEARCH OF INNER FLOW IN A DOUBLE BLADES PUMP BASED ON OPENFOAM[J]. LIU Hou-lin,REN Yun,WANG Kai,WU Deng-hao,RU Wei-min,TAN Ming-gao Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhengjiang 212013,China. Journal of Hydrodynamics. 2012(02)
[8]连续体结构拓扑优化方法评述[J]. 夏天翔,姚卫星. 航空工程进展. 2011(01)
[9]基于偏微分方程的离心泵叶片反设计方法[J]. 张人会,杨军虎,李仁年. 农业机械学报. 2009(09)
[10]无过载离心泵叶轮内三维不可压湍流场计算[J]. 袁寿其,陈池,郑铭,李昳. 机械工程学报. 2000(05)
硕士论文
[1]基于格子—波尔兹曼法的流体拓扑优化[D]. 刘耕.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[2]基于伴随方法的离心泵叶轮优化研究[D]. 郭苗.兰州理工大学 2014
本文编号：3373246
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景
1.2 离心泵优化设计方法综述
1.3 流体拓扑优化方法的发展
1.4 灵敏度分析的伴随方法
1.5 本文研究内容
2 开源软件OpenFOAM基本原理及使用
2.1 OpenFOAM简介
2.2 控制方程及边界条件
2.2.1 稳态不可压缩流体N-S方程
2.2.2 k-ωSST湍流模型
2.3 SIMPLE算法原理
2.4 OpenFOAM下的离心泵求解
2.5 本章小结
3 离心泵多孔介质模型的研究
3.1 多孔介质模型的原理
3.2 多孔介质模型在旋转机械中的应用
3.3 离心泵多孔介质模型前处理及计算设置
3.3.1 计算模型及网格
3.3.2 非均匀场处理方法
3.3.3 边界条件及计算设置
3.4 离心泵多孔介质模型的计算
3.4.1 多孔介质模型求解结果的可靠性
3.4.2 不同α值下的结果精度对比
3.5 本章小结
4 伴随方法灵敏度分析
4.1 灵敏度分析表达式的构建
4.2 伴随方程的推导
4.3 伴随边界条件的推导
4.4 伴随灵敏度验证
4.4.1 具体目标函数及插值格式下的伴随方程
4.4.2 伴随灵敏度验证算例
4.4.3 伴随灵敏度验证结果
4.5 本章小结
5 离心泵流道拓扑优化模型
5.1 目标函数的选取
5.2 设计变量说明
5.3 约束条件
5.4 优化模型及流程
5.4.1 优化问题的数学模型
5.4.2 优化方法
5.4.3 优化流程
5.5 本章小结
结论与展望
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于自由曲面变形方法的离心泵三维叶片反问题方法[J]. 张人会,张书玮,杨军虎,鲁煜杰. 工程热物理学报. 2018(01)
[2]基于NSGA-Ⅱ遗传算法高比转速混流泵多目标优化设计[J]. 王春林,叶剑,曾成,夏勇,罗波. 农业工程学报. 2015(18)
[3]基于伴随方法的离心泵叶轮优化设计[J]. 张人会,郭苗,杨军虎,刘宜. 排灌机械工程学报. 2014(11)
[4]基于响应面法的消防泵S型叶片改进优化设计[J]. 王春林,彭海菠,丁剑,刘栋. 机械工程学报. 2013(10)
[5]多级离心泵半开式叶轮参数优化的数值研究[J]. 吴大转,孙幼波,陈涛,许斌杰,王乐勤. 工程热物理学报. 2013(01)
[6]基于OpenFOAM的离心泵内部流动数值模拟[J]. 任芸,刘厚林,吴登昊,谈明高,舒敏骅. 应用基础与工程科学学报. 2012(06)
[7]RESEARCH OF INNER FLOW IN A DOUBLE BLADES PUMP BASED ON OPENFOAM[J]. LIU Hou-lin,REN Yun,WANG Kai,WU Deng-hao,RU Wei-min,TAN Ming-gao Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhengjiang 212013,China. Journal of Hydrodynamics. 2012(02)
[8]连续体结构拓扑优化方法评述[J]. 夏天翔,姚卫星. 航空工程进展. 2011(01)
[9]基于偏微分方程的离心泵叶片反设计方法[J]. 张人会,杨军虎,李仁年. 农业机械学报. 2009(09)
[10]无过载离心泵叶轮内三维不可压湍流场计算[J]. 袁寿其,陈池,郑铭,李昳. 机械工程学报. 2000(05)
硕士论文
[1]基于格子—波尔兹曼法的流体拓扑优化[D]. 刘耕.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[2]基于伴随方法的离心泵叶轮优化研究[D]. 郭苗.兰州理工大学 2014
本文编号：3373246
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