优化技术在水泵水力设计的应用（下篇）

《优化技术在水泵水力设计的应用（上篇）》我们讲到，ANSYS水泵设计流程中的三维设计。这次我们接下去讲三维设计模块中的具体操作以及TurboGrid网格划分工具、三维CFD分析和ANSYS水泵优化流程详解。

 

三维设计

 

• BladeGen

在Vista cpd下面右键create new创建一个新的bladeGen文件，进入到三维设计的模块。bladeGen是基于S1和S2两流面理论，在这里可以对轴面流道进行调整，对不同span下的角度分布和厚度进行调整，得到一个比较好的流动状态下的叶片形状。

 

 

• Vista TF

Vista TF是二维通流截面分析，通过快速的二维无粘计算，得到一个速度分布较均匀的轴面流道。

 

• BladeEditor 参数化设计

 

BladeEditor是嵌入在DesignModeler中的模块，在Workbench平台下新建Geometry中启动,对几何模型进行参数化设置，可以看到在Blade _Camberline1的属性中，所有参数化的点前面方框里都出现了D。点击parameter set，可以看到设置了16个参数。

 

 

TurboGrid网格划分

 

TurboGrid是一款专门针对叶轮机械的高度自动化六面体网格划分工具，可以生成高质量的边界层网格，其中ATM自动划分方法，提高了计算效率，非常方便。

 

Workbench窗口中，拖拽TurboGrid组件连接到Geometry中，或鼠标右键点击Geometry选择Transfer Data To New TurboGrid。设置后检查网格质量，再进行必要的调整，得到高质量的网格。

 

 

三维CFD分析

 

在二维分析的基础上，通过CFX软件进行叶轮流道的CFD分析，将内部流动“可视化”，通过数值仿真的“虚拟试验”，CFD可以较准确地预测所设计出的产品的全工况压力、功率、效率等特性。

 

在Workbench窗口中，新建一个CFX组件，把TurboGrid文件拖拽连接到CFX的Setup节点，然后双击setup，进入cfx_pre中进行Domain、Boundary和interface等设置，编辑expressions，设定output control中monitor1、2、3分别为H、M、efficiency。求解一组参数后使其收敛。

 

然后进入到post中在Expression菜单中找到H（扬程）和efficiency（效率），点击鼠标右键选择Use as Workbench Output Parameter，定义为输出参数。

 

 

水泵优化流程

 

基于后处理结果对水力设计进行优化、迭代，以满足客户使用要求。最终得到满足要求的高性能叶轮水力。

 

• OptiSLang敏感性分析

1、在Workbench的Toolbox中，双击OptiSLang下的Sensitivity。

 

2、进入参数化设计，在DOE里选择拉丁超立方抽样，样本点先取100个（后续根据情况可继续加点）。

 

3、100个样本点计算完成后，可以看到feasible下有绿色true和红色false出现，提示信息显示部分样本点未能完成计算。

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在Workbench中， 可使用HPC快速计算，根据资源配置，可选择同时计算多个点，以节省计算时间。

 

 

接下来为每个响应变量建立高质量响应面即MOP-最优预测元模型

 

5、在参数分析阶段建立MOP后，后续优化、稳健性可靠性分析均可将MOP作为求解器来进行，而不再需要借助于CAE求解器，因此可以极大地提高分析效率。

 

6、从预测系数CoP，从中找到敏感性大的参数：对扬程H和效率efficiency敏感性大的设计变量。

 

 

• OptiSLang优化分析

 

1、在弹出的Optimization NLPQL窗口中，保留敏感性大的几个参数，其余的被过滤掉。

 

2、然后点击Import criteria，进行单目标优化，构造目标函数和约束函数，设置H≥35，设置efficiency为MAX。

 

3、鼠标右键点击Optimization中的NLPQL，开始验证对比最佳设计点，在response values中可以看到最优MOP和calculation结果对比。

 

 

最终进行初始设计和优化设计的几何对比：

 

双击打开parameter set，在table of design points中找到要优化的点，右击set as current，然后更新geometry、turbogrid及cfx。

 

  

通过对比可以看出来：扬程有所提高，效率由95.5%提高到98.8%。