一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法与流程

本发明属于低温空分和低温液化等技术领域，涉及一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法。

背景技术：

低温液体膨胀机作为一种液力机械，和传统水力(或液力)机械类似，不可避免地发生空化现象。空化气泡的溃灭将产生极高的局部压强，对结构表面材料造成很大冲击，产生空化腐蚀破坏；还会诱导机组振动，威胁液体膨胀机、乃至低温系统的稳定运行。因此，对低温液体膨胀机旋涡空化流动的有效抑制意义重大。

空化现象是指液体局部压力低于相应温度下饱和蒸气压，导致液体气化并引起微气泡的爆发性增长和溃灭的现象。空化现象广泛存在于水泵、水轮机等水力机械，以及低温空分和低温液化等领域。按其发生部位的不同，通常存在叶形空化、间隙空化、空腔空化和局部空化四种形式。通常空腔空化是指存在于常规水力机械(如水轮机尾水管)中由旋涡流动带来的空化，其强度高、占据空间大，多呈现出“辫束”状，直接影响着液力机械性能和机组可靠性，而此空化的诱因—旋涡流本质上源于叶轮的高速旋转。作为一种液力透平机械，低温液体膨胀机高速旋转的叶轮也会造成高强度的旋涡流并扩展至其下游扩压管，进而诱发叶轮出口处和扩压管内的空化。

为抑制空化，针对常规液力机械的叶轮设计提出了一些优化设计方法。专利201110202524.5“一种抗空蚀离心泵叶轮优化设计方法”以 NSGA-II遗传算法为优化工具，对离心泵叶轮参数进行多目标优化设计，提高了叶轮的效率和抗空化性能。专利201510679202.8“一种高抗空化离心叶轮水力设计方法”提供了一种高抗空化离心叶轮水力设计方法，采用改善叶片进口安放角、叶片厚度分布、叶轮进口直径和叶片进口宽度的方法，提高了离心泵抗空化性能。专利201510908837.0“一种抗空化轴流泵叶轮设计”公开了一种抗空化轴流泵叶轮设计方法，使得设计出的轴流泵叶轮可靠工作的同时，具备抗空化能力。

与常规液力机械相比，在低温液力机械(如低温液体膨胀机)的旋涡空化更为复杂。对于常温水力机械来说，介质的热效应几乎可以忽略，即温度对空化的影响很小而忽略不计。但低温介质的显著热力学效应，使得低温空化对温度变化非常敏感，而且低温介质的相变潜热大，诸如此类的影响因素均不可忽略。本质上，低温液体膨胀机叶轮的高速旋转造成了其出口处高强度旋涡流，导致了局部低压和温升，直接诱发了空化。但此旋涡空化流与低温温度场高度耦合，显著增加了其控制难度。而两相低温液体膨胀机的空化更显著，其控制也更为复杂。

两相液体(带气)膨胀机在低温空分、低温液化及其它工业流程及余能回收系统中有广阔应用前景。例如，US20120235415A1公布了使用两相膨胀机-发电机组的朗肯动力循环能量回收系统。但两相液体膨胀机的空化控制复杂，尚未得到有效地解决，制约了此技术的应用。既使 US20120235415A1所公开的内容中涉及两相膨胀机，但并未提及两相膨胀机的抗空化问题。

就两相液体膨胀机而言，其进口介质为液态，但通过膨胀机的降压膨胀，部分液体介质蒸发为气体，使得出口介质变为液中富含气的两相混合物。特别值得注意的是，两相膨胀机内液体介质的蒸发过程会伴随相当规模的空泡产生而诱发严重空化。如何控制两相液体膨胀机潜在的显著空化是亟需突破的关键技术问题。

目前就国内外范围看，未发现有关两相液体膨胀机抗空化技术的公开报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，该方法能够有效的提升两相低温液体膨胀机的性能及运行稳定性。

为达到上述目的，本发明所述的两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法包括考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究、两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析、两相低温液体膨胀机内复杂旋涡空化流动的特征化表述、以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建、以及旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解。

考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究的具体过程为：采用Rayleigh-Plesset空化模型对两相低温液体膨胀机内部空化流动进行研究，其中，将Rayleigh-Plesset空化模型与液体膨胀机整机数值模型进行结合，以模拟两相低温液体膨胀机旋涡空化的数值。

所述Rayleigh-Plesset空化模型包括将空化视为两相三组分系统的体积分数控制方程、基于各组分具有相同速度假设的混合相质量、动量及能量方程、以及用于预测气化率、空泡生成及破灭的Rayleigh-Plesset Equation。

两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析的具体过程为：

改变叶轮及诱导轮的几何状态参数以及叶轮与诱导轮的相位位置参数，开展考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究，确定两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动最为敏感的几何参数，其中，两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动最为敏感的几何参数包括叶轮最大周向弯曲角度θ0M、叶片叶顶角度叶片中间高度位置的角度诱导轮形状叶片参数、叶轮与出口诱导轮之间的周向相对位置Δα及周向相对距离Δz。

以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建包括以下步骤：为保证两相低温液体膨胀机的效率和抗空化特性，构建的以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数为：

其中，fave为新设计的两相低温液体膨胀机的面积平均气体体积百分数，fmax为新设计的两相低温液体膨胀机的最大气体体积百分数，eff 为新设计的两相低温液体膨胀机的等熵效率；及分别为原始设计的两相低温液体膨胀机的最大气体体积百分数及平均气体体积百分数，C1、C2及C3为流场优化目标函数中三项的比重，C1、C2及C3的取值基于初始的流场模拟结果。

旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解的具体过程为：

1)利用设计实验DOE方法生产一组候选两相低温液体膨胀机设计样本点，再分别对各候选两相低温液体膨胀机设计样本点进行数值建模及CFD模拟，然后基于数值建模及CFD模拟的结果建立初始kriging代理模型，再将协同进化并行求优算法、CCEA及单步预期提升函数相结合建立勘探-开发相结合寻优循环，在该勘探-开发相结合寻优循环中，新设计的两相低温液体膨胀机样本点连续不断地由自适应采样技术遴选出来，并启动Automatic CFD Evaluation进行流场计算及性能评估，以升级代理模型及寻找最优设计参数；

其中，启动Automatic CFD Evaluation进行流场计算及性能评估的具体操作为：设计参数矢量由Geometric parameterization模块转化并生成新的叶轮及诱导轮，再通过Automatic topology feature自动对新的叶轮及诱导轮进行网格划分，然后通过范本文件进行CFD模型、边界条件及物性的更新，最后进行两相低温液体膨胀机热流场的计算及性能的预测；

2)待两相低温液体膨胀机热流场的计算收敛后，得两相低温液体膨胀机的压力、温度、旋转轴扭矩及气体体积百分数的参数分布，然后将压力、温度、旋转轴扭矩及气体体积百分数的参数分布代入目标函数表达式中，以计算目标函数；

3)根据上述步骤进行迭代循环，直至满足预定的寻优搜索终止判据为止，得两相低温液体膨胀机的抗空化优化设计参数。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法可以有效控制叶轮旋转所造成的叶轮出口及叶轮下游同轴诱导轮中的旋涡流动，进而获得两相低温液体膨胀机的抗空化优化设计参数，以提升两相低温液体膨胀机的性能及运行稳定性，同时避免旋涡空化所诱导的两相低温液体膨胀机机组振动和停机以及空分液化装置停产的问题。

附图说明

图1a为叶轮的参数化示意图；

图1b为诱导轮的参数化示意图；

图1c为叶轮与诱导轮的相对位置示意图；

图2是本发明的抗空化优化设计流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法包括考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究、两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析、两相低温液体膨胀机内复杂旋涡空化流动的特征化表述、以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建、以及旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解。

1、考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究

采用Rayleigh-Plesset空化模型对两相低温液体膨胀机内部空化流动进行研究，其中，将Rayleigh-Plesset空化模型与液体膨胀机整机数值模型进行结合，以模拟两相低温液体膨胀机旋涡空化的数值，另外，为考虑低温流体的“热力学效应”，特别将饱和蒸气压及表面张力表示为随温度变化的函数，在流场的迭代计算过程中，饱和蒸气压力与表面张力随温度场的变化而实时更新。

所述Rayleigh-Plesset空化模型包括将空化视为两相三组分系统的体积分数控制方程、基于各组分具有相同速度假设的混合相质量、动量及能量方程、以及用于预测气化率、空泡生成及破灭的Rayleigh-Plesset Equation。

2、两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析

改变叶轮及诱导轮的几何状态参数以及叶轮与诱导轮的相位位置参数，开展考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究，确定两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动最为敏感的几何参数。

研究表明膨胀机内旋涡流动流起源于高速旋转叶轮尾缘，并随着主流扩展至扩压管，导致叶轮出口及下游扩压管内局部静压降低、温度升高，进而诱发空化；引入与叶轮同轴的旋转式出口诱导轮，显著改善叶轮出口处的流动，使局部静压提升、温度降低，有效抑制叶轮内空化，但出口诱导轮叶片尾缘整个叶高及前缘轮盖区域仍有空化，展示出叶轮、诱导轮流道几何整体优化及匹配的必要性，以实现流动优化控制，获得抗空化设计。

如图1所示，这些对膨胀机空化流动敏感的参数包括叶轮和诱导轮叶片的几何形状参数及叶轮-诱导轮相对位置参数。

其中，对于叶轮，设计过程中叶轮的变形由调整叶轮最大周向弯曲角度θ0M、叶片叶顶角度和中高角度实现敏感形变，参考图1a；

对于诱导轮，诱导轮形状叶片为自由曲面而不是常规的直线元素曲面，其中，弧面形状由叶根、中高及叶顶处的三条型线描述，每条型线的Beta角度从叶片前缘至尾缘呈非线性分布，且均由含4个控制点的 Bezier曲线参数化，通过调整控制点的坐标实现型线及曲面的灵活变形，从而为抗空化设计提供很大的自由度，参考图1b；

对于叶轮叶片和诱导轮相对位置，叶轮-诱导轮之间动静干涉作用很大程度上取决于两部件叶片排之间的轴向相对位置及径向相对位置，对叶轮出口处及诱导轮内的旋涡空化特性有重要影响；为考虑动-静干涉对空化特性的影响，在抗空化设计中，特别引入叶轮-出口诱导轮间的周向相对位置Δα及周向相对距离Δz，参考图1c。

3、以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建

常规液力机械(例如水泵)的设计需要达到预期的汽蚀余量目标，以控制空化汽蚀，此汽蚀余量是单纯的压力参数，例如水泵汽蚀余量是指在泵吸入口处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量，即静正吸入能量头NPSH(Net Positive Suction Head)。但对于低温液体膨胀机而言，用NPSH描述其汽蚀特性不合适，其原因在于，低温流体的热力学效应使得低温液体膨胀机的空化特性更为复杂，它不仅取决于压力、速度，还同时取决于温度，为此，需要建立适合低温液体膨胀机的抗空化设计目标。

为保证两相低温液体膨胀机的效率和抗空化特性，构建的以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数为：

其中，fave为新设计的两相低温液体膨胀机的面积平均气体体积百分数，fmax为新设计的两相低温液体膨胀机的最大气体体积百分数，eff 为新设计的两相低温液体膨胀机的等熵效率；及分别为原始设计的两相低温液体膨胀机的最大气体体积百分数及平均气体体积百分数，C1、C2及C3为流场优化目标函数中三项的比重，C1、C2及C3的取值基于初始的流场模拟结果。

5、旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解

如上所述，两相液体膨胀机旋涡空化控制和抗空化设计转化成为求解以叶轮和诱导轮敏感性几何参数及其相对位置参数为优化变量、以所建立的目标函数为目标的优化问题，通过求解此优化问题以获得抗空化的两相液体膨胀机设计参数。

抗空化设计优化的目标函数是通过耦合求解复杂的温度场-流场而获得的，且在其求解的迭代过程中反复需要调用热流场求解器；为提升求解速度、节省计算成本，引入代理模型；而为解决常规代理模型固定采样往往导致局部最优的缺陷，特别发展了自适应采样的代理模型，显著提升了最优搜索的全局性。

将几何参数化模块、热流场求解器、基于自适应采样的代理模型和并行优化算法相结合，发展了膨胀机抗空化设计优化的求解方法，下面结合图2，对求解方法的具体实施步骤及措施进行描述。

1)利用设计实验DOE方法生产一组候选两相低温液体膨胀机设计样本点，再分别对各候选两相低温液体膨胀机设计样本点进行数值建模及CFD模拟，然后基于数值建模及CFD模拟的结果建立初始kriging代理模型，再将协同进化并行求优算法、CCEA及单步预期提升函数相结合建立勘探-开发相结合寻优循环，在该勘探-开发相结合寻优循环中，新设计的两相低温液体膨胀机样本点连续不断地由自适应采样技术遴选出来，并启动Automatic CFD Evaluation进行流场计算及性能评估，以升级代理模型及寻找最优设计参数，这一自适应特性使得代理模型精度逐步提高，也使得优化求解器能够沿着全局最优的目标进行搜索，并且降低CFD计算评估的耗时，加快两相低温液体膨胀机抗空化设计优化进程。

其中，在优化过程中，Geometric parameterization模块及Automatic CFD Evaluation模块反复被调用。在Geometric parameterization模块中, 叶轮及诱导轮几何形状由自编几何参数化程序随时生成.一旦需要对新设计样本进行计算评估，则启动Automatic CFD Evaluation模块，启动 Automatic CFD Evaluation模块进行流场计算及性能评估的具体操作为：设计参数矢量由Geometric parameterization模块转化并生成新的叶轮及诱导轮，再通过Automatic topology feature自动对新的叶轮及诱导轮进行网格划分，然后通过范本文件进行CFD模型、边界条件及物性的更新，最后进行两相低温液体膨胀机热流场的计算及性能的预测；

2)待两相低温液体膨胀机热流场的计算收敛后，得两相低温液体膨胀机的压力、温度、旋转轴扭矩及气体体积百分数的参数分布，然后将压力、温度、旋转轴扭矩及气体体积百分数的参数分布代入目标函数表达式中，以计算目标函数；

3)根据上述步骤进行迭代循环，直至满足预定的寻优搜索终止判据为止，得两相低温液体膨胀机的抗空化优化设计参数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。