本發(fā)明涉及一種葉片泵高性能低噪聲多目標(biāo)優(yōu)化方法，具體涉及一種兼顧了葉片泵的水力性能和噪聲的多方面需求的基于間接聲學(xué)變量法的葉片泵高性能低噪聲多目標(biāo)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、葉片泵是廣泛應(yīng)用于海洋工程、水利水電工程、核電工程、石油化工等與國計(jì)民生密切相關(guān)領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)水力機(jī)械。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，要求在滿足水力性能的基礎(chǔ)上，對其振動(dòng)噪聲特性也提出了更高的要求。而葉片式泵噪聲來源主要有機(jī)械振動(dòng)噪聲、電機(jī)電磁噪聲和流體誘導(dǎo)噪聲，且噪聲級(jí)由復(fù)雜湍流場決定。前兩者已通過各種高精度工藝得到控制。因此，由葉片泵內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)引起的湍流噪聲成為低噪聲葉片泵設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是低噪聲葉片泵必須考慮的重要因素。但是，在對葉片泵關(guān)鍵過流部件(包括旋轉(zhuǎn)做功部件葉輪、靜止擴(kuò)壓引流部件導(dǎo)葉、蝸殼和吸水室等)設(shè)計(jì)之初，難以考慮復(fù)雜流動(dòng)對噪聲源的貢獻(xiàn)，進(jìn)而無法建立流場、噪聲源和水力設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，是難以實(shí)現(xiàn)葉片泵流動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2、針對葉片泵內(nèi)不可壓縮流動(dòng)引起的水力噪聲的研究理論和方法完全移植自氣動(dòng)聲學(xué)，原則上相關(guān)的機(jī)理和計(jì)算方法是適用于水動(dòng)力噪聲的，但兩種介質(zhì)的可壓縮性和粘性存在很大差別，水動(dòng)力噪聲與氣動(dòng)聲學(xué)的研究重點(diǎn)方向顯著不同。一方面，氣動(dòng)聲學(xué)大部分研究的是跨音速、超音速問題，相對于偶極子源，四極子的雷諾應(yīng)力是更為有效的聲源，研究也更加充分。而水動(dòng)力噪聲問題一般屬于極小馬赫數(shù)問題，偶極子聲源為主要貢獻(xiàn)，但針對不同流動(dòng)特征問題，對湍流粘性的貢獻(xiàn)也不一樣。另一方面，水介質(zhì)的粘性遠(yuǎn)大于空氣，因此，剪切層區(qū)在強(qiáng)應(yīng)變率、壓力梯度、不同尺度渦脫落碰撞、壁面能量傳輸以及在旋轉(zhuǎn)湍流中運(yùn)動(dòng)壁面對流場的擾動(dòng)等作用下，誘導(dǎo)產(chǎn)生的噪聲源在噪聲中占有重要成分。此外，傳統(tǒng)lighthill聲比擬理論的流場-結(jié)構(gòu)-聲場多物流場耦合的聲學(xué)有限元法對計(jì)算資源的占用非常高，難以用于低噪聲葉片泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3、為此，針對葉片泵內(nèi)不可壓縮復(fù)雜湍流誘導(dǎo)的流動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，針對葉片泵在初始水力設(shè)計(jì)時(shí)無法考慮噪聲優(yōu)化的設(shè)計(jì)難題，本發(fā)明推導(dǎo)求解了湍流控制方程與聲學(xué)波動(dòng)方程之間噪聲源項(xiàng)lamb矢量散度，并通過對間接聲學(xué)變量lamb矢量散度進(jìn)行體積分用以計(jì)算評(píng)估葉片泵流動(dòng)噪聲級(jí)強(qiáng)度，進(jìn)而建立葉片泵水力性能和低噪聲特性的多目標(biāo)優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)高性能低噪聲葉片泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種兼顧了葉片泵的水力性能和噪聲的多方面需求的基于間接聲學(xué)變量法的葉片泵高性能低噪聲多目標(biāo)優(yōu)化方法。

2、本發(fā)明是通過下述方案來解決上述技術(shù)問題的：一種基于間接聲學(xué)變量法的葉片泵高性能低噪聲多目標(biāo)優(yōu)化方法，所述優(yōu)化方法包括如下步驟：

3、步驟(1)、推導(dǎo)葉片泵內(nèi)部流動(dòng)與噪聲源關(guān)系；

4、步驟(2)、建立基于lamb矢量散度的間接聲學(xué)變量法；

5、步驟(3)、構(gòu)建葉片泵水力性能和噪聲特性的多目標(biāo)優(yōu)化方法：以葉片泵關(guān)鍵水力設(shè)計(jì)參數(shù)出口寬度(b2)、葉片出口安放角(β2)、葉片包角葉片數(shù)(z)為優(yōu)化參數(shù)建立樣本群，以泵揚(yáng)程系數(shù)(ψ)、效率(η)和基于間接聲學(xué)變量的噪聲源強(qiáng)度(ld)為多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)行基于遺傳算法的尋優(yōu)求解。

6、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，步驟(1)的推導(dǎo)葉片泵內(nèi)部流動(dòng)與噪聲源關(guān)系具體包括如下步驟：不可壓縮粘性流體運(yùn)動(dòng)的navier?stokes方程有一個(gè)等價(jià)形式，即lamb形式：

7、

8、流動(dòng)的非線性對流項(xiàng)用l＝ω×u表示；在是空間中單值連續(xù)有界的任何矢量場都可以分解成一個(gè)位勢矢量場和有旋矢量場；為此，通過對不可壓縮控制方程兩邊做旋度運(yùn)算，并忽略對渦量變化貢獻(xiàn)為零的項(xiàng)，獲得不可壓縮流動(dòng)渦量輸運(yùn)方程：

9、

10、方程(2)中為lamb矢量散度；

11、結(jié)合湍流控制方程和渦量輸運(yùn)方程，以及hamman對lamb矢量散度研究結(jié)果可知，lamb矢量散度可以反應(yīng)湍流場強(qiáng)應(yīng)變率區(qū)域和平均場之間的相互作用；lamb矢量散度的負(fù)值表征空間局部運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈，已經(jīng)積累了能夠影響線性動(dòng)量時(shí)間變化率的能力；雖然整體lamb矢量散度為正或負(fù)，但正貢獻(xiàn)只能有屈曲積產(chǎn)生；當(dāng)湍流中出現(xiàn)剪切層區(qū)域，則很容易地產(chǎn)生擬渦能的強(qiáng)烈脈動(dòng)；

12、因此，聯(lián)立渦聲方程和lamb形式的navier?stokes方程，相應(yīng)的連續(xù)性方程和不考慮流體粘性的動(dòng)量方程寫為：

13、

14、對方程(3)兩邊同時(shí)對時(shí)間求導(dǎo)，再加可得：

15、

16、聯(lián)立方程(4)和方程(5)可得：

17、

18、方程(6)是忽略流體粘性的非線性聲波波動(dòng)方程；對源項(xiàng)的大小進(jìn)行量級(jí)分析可以對方程(6)做進(jìn)一步簡化；密度變化會(huì)引起壓力變化，利用量綱分析法對除密度外右邊各個(gè)源項(xiàng)的量級(jí)進(jìn)行分析比較，分別為1:1:ma2:stma2，其中ma為馬赫數(shù)，st是斯特拉哈爾數(shù)；

19、因葉片泵內(nèi)部流動(dòng)為不可壓縮的低馬赫數(shù)流動(dòng)，則右邊后兩項(xiàng)為高階小量，可以忽略；方程(6)可進(jìn)一步簡化為：

20、

21、上方程(7)右邊第一項(xiàng)表征由漩渦邊界約束以及空間拉伸而引起的噪聲輻射；如果為緊致聲源，低速條件下第二項(xiàng)中的流體動(dòng)能分布對遠(yuǎn)場的影響相對第一項(xiàng)可以忽略；因此，方程(7)可以變?yōu)槌Ｒ姷男问剑?/p>

22、

23、方程(8)為powell導(dǎo)出的渦聲方程，式中為lamb矢量散度；與lighthill方程不同，方程(8)能進(jìn)一步揭示渦與聲的基本關(guān)系；lamb矢量散度ld由兩部分組成，即屈曲積(flexion?product)和負(fù)的擬渦能(enstrophy)，分別定義為和le＝-ω×ω；

24、在絕熱等熵條件下，非線性項(xiàng)和熵項(xiàng)貢獻(xiàn)很低，為此，如僅考慮渦聲問題，ape方程中的重要渦源項(xiàng)的本質(zhì)就是lamb矢量散度：

25、

26、方程(9)中渦源項(xiàng)的本質(zhì)就是lamb矢量散度，是重要的聲源項(xiàng)；右邊第一項(xiàng)表征漩渦空間拉升引起的噪聲，通常在無滑移壁面約束下明顯產(chǎn)生；右邊第二項(xiàng)表征lighthill張量的脈動(dòng)所引起的，是空間四極子噪聲主導(dǎo)項(xiàng)。

27、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，步驟(2)的建立基于lamb矢量散度的間接聲學(xué)變量法具體包括如下步驟：

28、針對葉片泵內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)引起的噪聲源強(qiáng)度可以通過間接聲學(xué)變量lamb?vectordivergence?ld進(jìn)行體積分來刻畫：

29、

30、其中d2為葉片泵葉輪出口直徑，m；g0為基準(zhǔn)加速度，m/s2；

31、基于式(10)對葉片泵不同運(yùn)行工況、不同過流區(qū)域進(jìn)行間接聲學(xué)變量lambvector?divergenceld的體積分，獲得葉片泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的噪聲源強(qiáng)度預(yù)測；

32、(3)構(gòu)建葉片泵水力性能和噪聲特性的多目標(biāo)優(yōu)化方法：

33、以葉片泵關(guān)鍵水力設(shè)計(jì)參數(shù)出口寬度(b2)、葉片出口安放角(β2)、葉片包角葉片數(shù)(z)為優(yōu)化參數(shù)建立樣本群，以泵揚(yáng)程系數(shù)(ψ)、效率(η)和基于間接聲學(xué)變量的噪聲源強(qiáng)度(ld)為多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)行基于遺傳算法的尋優(yōu)求解，以實(shí)現(xiàn)在保證葉片泵水力性能優(yōu)良的同時(shí)，獲得低噪聲特性的葉片泵設(shè)計(jì)。

34、在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，步驟(3)的具體包括如下步驟：

35、步驟(301)：確定優(yōu)化目標(biāo)：優(yōu)化目標(biāo)是葉片泵揚(yáng)程(ψ)、效率(η)和表征流動(dòng)噪聲級(jí)強(qiáng)度的噪聲源強(qiáng)度(ld)；

36、步驟(302)：選擇優(yōu)化參數(shù)并設(shè)定取值范圍：基于葉片泵設(shè)計(jì)理論，初步給定優(yōu)化變量葉片泵的出口寬度(b2)、葉片出口安放角(β2)、葉片包角葉片數(shù)(z)的優(yōu)化區(qū)間；

37、步驟(303)：根據(jù)試驗(yàn)方法生成樣本空間；

38、步驟(304)：敏感性分析：對設(shè)計(jì)參數(shù)變量進(jìn)行敏感性分析，用以分析如何將輸出的變化定量分配到不同的輸入變量，然后就去除掉對優(yōu)化目標(biāo)影響很小的參數(shù)變量，只保留對優(yōu)化目標(biāo)影響程度很大的參數(shù)變量，實(shí)現(xiàn)降低模型復(fù)雜程度和提高模型精確度的目的；

39、步驟(305)：構(gòu)建優(yōu)化變量與優(yōu)化目標(biāo)之間的近似模型：基于響應(yīng)面法構(gòu)建逼近輸入變量與輸出變量的近似模型。

40、步驟(306)：基于nsga-ii多目標(biāo)遺傳算法對近似模型求解全局最優(yōu)解。

41、本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明提供的基于間接聲學(xué)變量法的葉片泵高性能低噪聲多目標(biāo)優(yōu)化方法優(yōu)點(diǎn)如下：本發(fā)明兼顧了葉片泵的水力性能和噪聲的多方面需求，并可推廣用于葉片泵初始水力設(shè)計(jì)中，以綜合考慮葉片泵的水力性能和噪聲特性。