本發(fā)明屬于水泵
技術(shù)領(lǐng)域：
，特指一種基于DOE的高溫泵散熱器數(shù)值優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
：高溫泵一般為立式泵，泵在工作時，運行溫度較高，但是軸上的聯(lián)軸器可承受溫度不得高于80℃，且溫升不得超過40℃，否則會影響軸承的使用壽命和泵的正常運行，從而降低泵的工作效率，這就對高溫泵的散熱系統(tǒng)提出了更高的要求。如何有效地對高溫泵進(jìn)行散熱，使軸承端溫度降低至允許范圍之內(nèi)，一直是高溫泵設(shè)計的難題之一。目前，全因子設(shè)計、正交試驗、拉丁超立方設(shè)計等DOE優(yōu)化方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如中國專利文獻(xiàn)記載的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的鋼軌焊縫精銑機(jī)床橫梁體優(yōu)化設(shè)計方法【申請?zhí)枺?01610100874.3；公布號：CN105574300A】采用正交試驗方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算種群適應(yīng)度和約束條件，從而進(jìn)行了遺傳算法優(yōu)化求解，達(dá)到了提高剛度和減輕重量的目標(biāo)；一種高負(fù)荷風(fēng)扇/壓氣機(jī)端壁造型優(yōu)化設(shè)計方法【申請?zhí)枺?01410554023.7；公布號：CN104317997A】基于自適應(yīng)遺傳算法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面模型，結(jié)合正交試驗，實現(xiàn)了對壓氣機(jī)端壁的自動全局優(yōu)化；一種LED散熱器結(jié)構(gòu)的雙目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計方法【申請?zhí)枺?01510893869.9；公布號：CN105320822A】通過響應(yīng)面分析法，結(jié)合正交試驗和遺傳算法，對LED散熱器的參數(shù)進(jìn)行了雙目標(biāo)綜合優(yōu)化，有效提高了散熱器的散熱效率?？梢姡谜辉囼灥菵OE方法已經(jīng)解決了很多工程實際問題，為一些產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供了切實可靠的方法。為此，本發(fā)明主要針對高溫泵散熱器的散熱性能進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化研究，旨在為以后高溫泵散熱器的設(shè)計提供一定的參考。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對上述問題，本發(fā)明旨在提供一種基于DOE的高溫泵散熱器數(shù)值優(yōu)化方法。為了實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：(1)基于DOE方法建立高溫泵散熱器數(shù)值優(yōu)化的樣本庫；(2)采用響應(yīng)面模型、或Kriging模型、或徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建高溫泵散熱器主要幾何參數(shù)與高溫泵散熱器散熱性能之間的近似模型；(3)采用全局優(yōu)化算法對近似模型進(jìn)行全局優(yōu)化，得出高溫泵散熱器主要幾何參數(shù)的最優(yōu)組合；(4)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對高溫泵散熱器進(jìn)行溫度場分析、熱變形分析、變形量分析。其具體步驟如下：(1)基于DOE方法建立高溫泵散熱器數(shù)值優(yōu)化的樣本庫：A、根據(jù)高溫泵散熱器對流換熱的換熱量公式，確定影響高溫泵散熱器對流換熱面積的主要幾何參數(shù)，散熱孔的直徑D和數(shù)量N；所述換熱量Q的計算公式：確定影響高溫泵散熱器對流換熱面積的主要幾何參數(shù)；式中：hi為對流換熱系數(shù)，Ai為固體壁面對流換熱表面積，Twi和Tfi分別為壁面溫度和流體溫度；B、采用均勻設(shè)計、或正交試驗設(shè)計、或拉丁方設(shè)計、或超拉丁方抽樣等DOE方法，構(gòu)建高溫泵散熱器數(shù)值優(yōu)化的n組實驗方案；C、采用CFX對n組實驗方案的高溫泵散熱器進(jìn)行數(shù)值計算；D、根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果，建立包含散熱器主要幾何參數(shù)、散熱性能的高溫泵散熱器樣本庫，其中n-nt組樣本用于構(gòu)建近似模型，nt組樣本用于預(yù)測近似模型的精度。(2)構(gòu)建高溫泵散熱器主要幾何參數(shù)與高溫泵散熱器散熱性能之間的近似模型：A、根據(jù)n-nt組高溫泵散熱器樣本，采用響應(yīng)面模型、或Kriging模型、或徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等構(gòu)建散熱器主要幾何參數(shù)與高溫泵散熱器頂端的平均溫度之間的近似模型；B、采用構(gòu)建的近似模型對nt組樣本進(jìn)行預(yù)測，并基于方均根誤差RMSE和復(fù)相關(guān)系數(shù)R2計算近似模型的預(yù)測精度；C、若近似模型的預(yù)測精度滿足精度準(zhǔn)則，則進(jìn)行步驟(3)的全局優(yōu)化；若近似模型的預(yù)測精度不滿足精度準(zhǔn)則，則增加樣本，重新構(gòu)建近似模型并計算近似模型的預(yù)測精度。其中，所述的近似模型的方均根誤差RMSE和復(fù)相關(guān)系數(shù)R2的計算公式如下：式中：nt為測試樣本點的數(shù)量，yk為真實預(yù)測值，為通過近似模型的預(yù)測值，為真實預(yù)測值的均值；所述的精度準(zhǔn)則為RMSE<0.15、R2>0.98。(3)采用全局優(yōu)化算法對近似模型進(jìn)行全局優(yōu)化：A、以高溫泵散熱器頂端的平均溫度最低為目標(biāo)函數(shù)，采用自適應(yīng)模擬退火算法、或自適應(yīng)遺傳算法、或蟻群算法等全局優(yōu)化方法，對近似模型進(jìn)行優(yōu)化；B、若計算結(jié)果不滿足收斂準(zhǔn)則，則把數(shù)值計算得到的數(shù)據(jù)保存到樣本庫，重新構(gòu)建近似模型，并重新進(jìn)行全局優(yōu)化，直至滿足收斂準(zhǔn)則為止。其中，所述的收斂準(zhǔn)則的計算公式如下：式中：EI(x)max為EI(ExpectedImprovement)函數(shù)的最大值，ymin為優(yōu)化過程中當(dāng)前最小預(yù)測值；所述的EI函數(shù)的計算公式如下：式中：Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，Ψ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度函數(shù)，fmin為所有樣本中最小的目標(biāo)函數(shù)值，和分別為x處近似模型的預(yù)測值和預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差。所述的ε＝10-6。(4)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對高溫泵散熱器進(jìn)行溫度場分析、熱變形分析、變形量分析，對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明提供的一種基于DOE的高溫泵散熱器數(shù)值優(yōu)化方法，可以快速準(zhǔn)確地確定高溫泵散熱器主要幾何參數(shù)的最優(yōu)組合，提高散熱器的散熱效果。(2)本發(fā)明提供的一種基于DOE的高溫泵散熱器數(shù)值優(yōu)化方法，大大節(jié)省了計算時間和計算周期，為高溫泵的設(shè)計和加工節(jié)約了時間和成本。附圖說明圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為本發(fā)明實施例中散熱器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例中優(yōu)化后散熱器溫度場；圖4為本發(fā)明實施例中優(yōu)化后散熱器熱變形；圖中：1-散熱器、2-泵軸、3-泵主體。具體實施方式下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。實施例：一臺比轉(zhuǎn)數(shù)為165的核電用高溫熔鹽泵，其主要參數(shù)為：葉輪出口寬度37mm，葉輪出口直徑為278mm，葉輪輪轂直徑為37mm，泵軸直徑為25mm，泵的運行溫度為973K。高溫熔鹽泵的散熱器外徑D＝450mm，高度b＝175mm，進(jìn)口流體溫度Tf＝72K，固體表面溫度Tw＝973K。該泵的散熱器模型如圖2所示。(1)根據(jù)高溫泵散熱器對流換熱的換熱量公式可以看出，對流換熱量Q與對流換熱面積具有直接的關(guān)系，本發(fā)明主要研究影響對流換熱面積的兩個重要因素——散熱孔的直徑D和數(shù)量N，并對其進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化。式中：hi為對流換熱系數(shù)，Ai為固體壁面對流換熱表面積，Twi和Tfi分別為壁面溫度和流體溫度。采用超拉丁方抽樣設(shè)計方法，構(gòu)建高溫熔鹽泵散熱器數(shù)值優(yōu)化的9組實驗方案，見表1。對9組實驗方案的高溫熔鹽泵散熱器進(jìn)行數(shù)值計算。表1實驗方案123456789D(mm)181713141610121511N81113101412679根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果，建立包含散熱器主要幾何參數(shù)、散熱性能的高溫泵散熱器樣本庫，其中6組樣本用于構(gòu)建近似模型，3組樣本用于預(yù)測近似模型的精度。(2)根據(jù)6組高溫熔鹽泵散熱器樣本，采用響應(yīng)面模型構(gòu)建散熱器主要幾何參數(shù)與高溫熔鹽泵散熱器頂端的平均溫度之間的近似模型。建立的近似模型如下：y＝0.62591D2-0.46258N2-0.518DN-7.26899D+15.55699N+376.51689采用構(gòu)建的近似模型對3組樣本進(jìn)行預(yù)測，并基于方均根誤差RMSE和復(fù)相關(guān)系數(shù)R2計算近似模型的預(yù)測精度。若近似模型的預(yù)測精度滿足精度準(zhǔn)則，則進(jìn)行步驟(3)的全局優(yōu)化；若近似模型的預(yù)測精度不滿足精度準(zhǔn)則，則增加樣本，重新構(gòu)建近似模型并計算近似模型的預(yù)測精度。所述的近似模型的方均根誤差RMSE和復(fù)相關(guān)系數(shù)R2的計算公式如下：式中：nt為測試樣本點的數(shù)量，yk為真實預(yù)測值，為通過近似模型的預(yù)測值，為真實預(yù)測值的均值。計算出來的近似模型的方均根誤差RMSE＝0.13037、復(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0.99132。(3)采用全局優(yōu)化算法對近似模型進(jìn)行全局優(yōu)化。以高溫熔鹽泵散熱器頂端的平均溫度最低為目標(biāo)函數(shù)，采用自適應(yīng)模擬退火算法對近似模型進(jìn)行優(yōu)化。若計算結(jié)果不滿足收斂準(zhǔn)則，則把數(shù)值計算得到的數(shù)據(jù)保存到樣本庫，重新構(gòu)建近似模型，并重新進(jìn)行全局優(yōu)化，直至滿足收斂準(zhǔn)則為止。所述的收斂準(zhǔn)則的計算公式如下：式中：EI(x)max為EI(ExpectedImprovement)函數(shù)的最大值，ymin為優(yōu)化過程中當(dāng)前最小預(yù)測值。所述的EI函數(shù)的計算公式如下：式中：Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，Ψ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度函數(shù)，fmin為所有樣本中最小的目標(biāo)函數(shù)值，和分別為x處近似模型的預(yù)測值和預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差。所述的ε＝10-6。優(yōu)化后的散熱孔直徑D和數(shù)量N分別為D＝11.64mm，N＝6。(4)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對高溫熔鹽泵散熱器進(jìn)行溫度場分析、熱變形分析、變形量分析。優(yōu)化后的高溫熔鹽泵散熱器的溫度場、熱變形分別為圖3和圖4。由圖3可看出，溫度場的變化較為規(guī)則，散熱器頂端溫度在降低到可控范圍之內(nèi)，由圖4可以看出，高溫泵散熱器上表面形狀復(fù)雜，熱變形量變化較大，變形量最大為1.18mm，變化幅度約為0.18％。所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3