本發(fā)明屬于水下推進(jìn)器應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種泵噴推進(jìn)器多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)魚(yú)雷高航速、低輻射噪聲性能的需求日益突出，推進(jìn)器作為魚(yú)雷動(dòng)力的核心組成，在歷代魚(yú)雷技術(shù)變革中均起著重大作用。尤其是，在高航速時(shí)，由于推進(jìn)器噪聲隨轉(zhuǎn)速而增加的速率遠(yuǎn)高于其它機(jī)械方面的噪聲源，此時(shí)推進(jìn)器噪聲成為首位的噪聲源。泵噴水推進(jìn)器由于具有推進(jìn)效率高、抗空化能力強(qiáng)和輻射噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外水下航行體推進(jìn)上存在廣泛應(yīng)用。但是，出于軍事和技術(shù)保密原因，國(guó)外極少有高性能泵噴優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的文獻(xiàn)公開(kāi)發(fā)表，已發(fā)表的文獻(xiàn)基本上都集中在試驗(yàn)研究和仿真計(jì)算方法上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種泵噴推進(jìn)器多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，完成人力難以完成的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

本發(fā)明提供了一種泵噴推進(jìn)器多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟：

a.根據(jù)目標(biāo)泵噴水推進(jìn)器的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速進(jìn)出口尺寸以及揚(yáng)程的定義式，確定葉輪葉片進(jìn)出口載荷數(shù)值。

b.以葉輪葉片進(jìn)出口載荷數(shù)值作為葉片的設(shè)計(jì)變量，建立葉輪和導(dǎo)葉葉片載荷的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型.

c.基于葉輪和導(dǎo)葉葉片載荷的參數(shù)化模型確定的樣本設(shè)計(jì)變量，采用遺傳優(yōu)化算法完成設(shè)計(jì)變量全局的快速搜索，生成不同葉片載荷分布的設(shè)計(jì)樣本。

d.采用三元反問(wèn)題設(shè)計(jì)方法完成葉輪葉片的設(shè)計(jì)，并將葉輪出口速度作為導(dǎo)葉進(jìn)口邊界條件完成導(dǎo)葉與葉輪的匹配設(shè)計(jì)。

e.導(dǎo)管外部型線采用水動(dòng)力性能較好的翼型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管內(nèi)部型線采用直線結(jié)構(gòu)來(lái)保證泵噴內(nèi)部過(guò)流斷面的通暢性，進(jìn)而完成泵噴推進(jìn)器整體樣本設(shè)計(jì)。

f.采用計(jì)算流體力學(xué)方法，在考慮水流粘性作用的條件下，完成泵噴推進(jìn)器設(shè)計(jì)樣本水動(dòng)力性能計(jì)算，量化效率和空化性能指標(biāo)。

g.采用響應(yīng)面模型分析設(shè)計(jì)變量和泵噴性能之間的關(guān)系，并分析設(shè)計(jì)變量之間的相關(guān)性和敏感性以及選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)樣本。

h.借助模型試驗(yàn)方法完成最優(yōu)設(shè)計(jì)樣本的性能測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性。

上述技術(shù)方案中，步驟a中泵類(lèi)推進(jìn)器的進(jìn)出口環(huán)量差決定了推進(jìn)器的揚(yáng)程，揚(yáng)程的高低決定了推進(jìn)器做功能力的大小，揚(yáng)程Ht＝ω(г2-г1)/(2gπ)，其中ω表示角速度，г＝2πRvu表示葉輪剖面的環(huán)量，下標(biāo)1和2代表了進(jìn)口和出口位置。

上述技術(shù)方案中，步驟d根據(jù)步驟c確定的槳葉葉片不同截面環(huán)量沿軸面流線的分布規(guī)律，進(jìn)而可以采用泵三元設(shè)計(jì)程序/軟件完成葉輪葉片外型設(shè)計(jì)；導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)與葉輪相匹配，導(dǎo)葉進(jìn)口環(huán)量等于葉輪的出口環(huán)量，導(dǎo)葉出口環(huán)量理論上接近為零；根據(jù)葉輪出口環(huán)量以及導(dǎo)葉樣本的載荷分布，可以得到導(dǎo)葉葉片不同截面的環(huán)量沿軸面流線分布規(guī)律，進(jìn)而采用泵三元設(shè)計(jì)程序/軟件完成導(dǎo)葉葉片的三元設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的目的是提供一種基于響應(yīng)面模型、優(yōu)化算法、計(jì)算流體力學(xué)、葉片載荷分布參數(shù)化、葉片三元反問(wèn)題設(shè)計(jì)程序和模型試驗(yàn)的高效率、抗空化泵噴推進(jìn)器多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，樣本設(shè)計(jì)過(guò)程中可以考慮粘性以及葉輪與導(dǎo)葉匹配作用對(duì)泵噴推進(jìn)器總體性能的影響，并借助高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)，完成人力難以完成的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。本發(fā)明在樣本設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮粘性以及葉輪與導(dǎo)葉匹配作用，設(shè)計(jì)結(jié)果更真實(shí)有效。本發(fā)明基于一體化數(shù)值試驗(yàn)平臺(tái)、優(yōu)化算法和響應(yīng)面模型完成大量樣本的全局優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程更高效快捷。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)流程圖；

圖2是本發(fā)明葉片載荷參數(shù)化模型

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，便于清楚地了解本發(fā)明，但它們不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限定。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種泵噴推進(jìn)器多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟：

1)根據(jù)目標(biāo)泵噴水推進(jìn)器的揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口尺寸以及揚(yáng)程的定義式，確定葉輪葉片進(jìn)出口載荷數(shù)值。通常在口語(yǔ)上，我們采用葉片載荷大小來(lái)表示葉片做功的強(qiáng)弱，實(shí)際上載荷分布即是學(xué)術(shù)用語(yǔ)中的葉片環(huán)量分布。泵類(lèi)推進(jìn)器的進(jìn)出口環(huán)量差決定了推進(jìn)器的揚(yáng)程，揚(yáng)程的高低決定了推進(jìn)器做功能力的大小，根據(jù)《現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)》中揚(yáng)程的定義式可知揚(yáng)程Ht＝ω(г2-г1)/(2gπ)，其中ω表示角速度，г＝2πRvu表示葉輪剖面的環(huán)量，下標(biāo)1和2代表了進(jìn)口和出口位置。因此，在葉輪進(jìn)口無(wú)旋的條件下，我們根據(jù)目標(biāo)泵噴水推進(jìn)器的揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口尺寸以及揚(yáng)程的定義式，可以確定葉輪葉片進(jìn)出口載荷數(shù)值。達(dá)到葉輪和導(dǎo)葉流場(chǎng)的最優(yōu)匹配，本發(fā)明提出的前置側(cè)斜導(dǎo)葉式泵噴水推進(jìn)器的葉輪進(jìn)口環(huán)量須等于導(dǎo)葉出口的環(huán)量，即是導(dǎo)葉載荷與葉輪載荷須匹配。另外，根據(jù)低噪聲推進(jìn)器設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，空泡是推進(jìn)器的重要噪聲源，而推進(jìn)器槳葉稍部是線速度最高的部位，也是最容易出現(xiàn)空泡的位置。為此，本發(fā)明提出了通過(guò)降低導(dǎo)葉葉稍的載荷(環(huán)量)以達(dá)到抑制泵噴葉輪稍渦流動(dòng)和降低推進(jìn)器噪聲的目的。

2)以葉片載荷分布作為葉片的設(shè)計(jì)變量，建立葉輪和導(dǎo)葉葉片載荷的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，如附圖2所示。我們采用三段式結(jié)構(gòu)來(lái)描述葉片的載荷分布，即是附圖2中所示的0-a區(qū)間的拋物線、a-b區(qū)間的直線和b-1區(qū)間的拋物線。因此，我們可以采用a(直線段起點(diǎn)的橫坐標(biāo))、b(直線段終點(diǎn)的橫坐標(biāo))、c(直線段起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo))、d(直線段終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo))、l0(第一段拋物線在縱坐標(biāo)的截距)、θ(直線段的傾斜角度)六個(gè)參數(shù)確定葉片的載荷分布曲線。

3)基于葉片載荷的參數(shù)化模型確定的樣本設(shè)計(jì)變量(如附圖2中a、b、c、d、l0、θ)，采用遺傳優(yōu)化算法完成設(shè)計(jì)變量全局的快速搜索，生成不同葉片載荷分布的設(shè)計(jì)樣本。

4)采用三元反問(wèn)題設(shè)計(jì)方法完成泵噴葉輪葉片的設(shè)計(jì)，并將葉輪出口速度作為導(dǎo)葉進(jìn)口邊界條件完成導(dǎo)葉與葉輪的匹配設(shè)計(jì)。根據(jù)步驟3)確定的槳葉葉片不同截面環(huán)量沿軸面流線的分布規(guī)律，進(jìn)而可以采用泵三元設(shè)計(jì)程序/軟件完成葉輪葉片外型設(shè)計(jì)。導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)須與葉輪相匹配，為保證流動(dòng)的流暢性，導(dǎo)葉進(jìn)口環(huán)量等于葉輪的出口環(huán)量，并且為產(chǎn)生盡可能大的軸向力，導(dǎo)葉出口環(huán)量理論上應(yīng)接近為零。因此，根據(jù)葉輪出口環(huán)量以及導(dǎo)葉樣本的載荷分布，可以得到導(dǎo)葉葉片不同截面的環(huán)量沿軸面流線分布規(guī)律，進(jìn)而采用泵三元設(shè)計(jì)程序/軟件完成導(dǎo)葉葉片的三元設(shè)計(jì)。

5)導(dǎo)管外部型線采用水動(dòng)力性能較好的翼型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管內(nèi)部型線采用直線結(jié)構(gòu)來(lái)保證泵噴內(nèi)部過(guò)流斷面的通暢性，進(jìn)而完成泵噴推進(jìn)器整體樣本設(shè)計(jì)。

6)采用計(jì)算流體力學(xué)方法，在考慮水流粘性作用的條件下，完成泵噴推進(jìn)器設(shè)計(jì)樣本水動(dòng)力性能計(jì)算，量化效率和空化等性能指標(biāo)，具體可參考文獻(xiàn)《混流式噴水推進(jìn)泵三元設(shè)計(jì)及數(shù)值試驗(yàn)》。

7)采用響應(yīng)面模型探索設(shè)計(jì)變量和泵噴性能之間的關(guān)系，并分析設(shè)計(jì)變量之間的相關(guān)性和敏感性以及選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)樣本。

8)借助模型試驗(yàn)方法完成最優(yōu)設(shè)計(jì)樣本的性能測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性。

本發(fā)明提出的水下航行體泵噴推進(jìn)器的多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要擦用葉片載荷參數(shù)化模型、葉片三元反問(wèn)題設(shè)計(jì)程序、計(jì)算流體力學(xué)、優(yōu)化算法和響應(yīng)面模型組成的一體化數(shù)值試驗(yàn)平臺(tái)，完成泵噴推進(jìn)器多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，樣本設(shè)計(jì)過(guò)程中可以考慮粘性以及葉輪與導(dǎo)葉匹配作用對(duì)泵噴推進(jìn)器總體性能的影響，并借助模型試驗(yàn)，驗(yàn)證最優(yōu)設(shè)計(jì)樣本性能和泵噴推進(jìn)器多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。所述多目標(biāo)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的特征在于葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)模型為整個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)提供精煉而有效的設(shè)計(jì)變量；葉片三元反問(wèn)題設(shè)計(jì)程完成給定設(shè)計(jì)變量條件下的葉片形狀的三維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程不考慮水流粘性；優(yōu)化算法完成變量的快速有效的全局搜索，實(shí)現(xiàn)樣本變量的全局優(yōu)化；計(jì)算流體力學(xué)方法完成設(shè)計(jì)樣本在考慮粘性條件下的推進(jìn)和空化性能計(jì)算與分析，并量化效率和空化性能指標(biāo)；響應(yīng)面模型用于探索設(shè)計(jì)變量和泵噴性能之間的關(guān)系，并分析設(shè)計(jì)變量之間的相關(guān)性和敏感性；模型試驗(yàn)完成最優(yōu)設(shè)計(jì)樣本的性能測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性。

本說(shuō)明書(shū)未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。