一种沉降式离心机综合性能优化方法、系统、设备及可读存储介质

1.本发明属于沉降式离心机技术领域，具体涉及一种沉降式离心机综合性能优化方法、系统、设备及可读存储介质。


背景技术：

2.目前国内的沉降式离心机厂家设计沉降式离心机时大多处于经验或半经验设计阶段，导致了目前沉降式离心机的综合性能较低。多个参数对沉降式离心机的综合性能均有影响，但目前的优化大多为单参数优化，很少涉及单多参数优化。同时，目前研究的优化目标过于单一，多旨在提高沉降式离心机的分离性能，而不能兼顾设备功耗和制造成本进行设计；采用实验方法获得不同参数条件下的分离性能和功耗成本过高，并且无法有效获取对于沉降式离心机有用的性能参数。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种沉降式离心机综合性能优化方法、系统、设备及可读存储介质，以克服现有技术的不足。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种沉降式离心机综合性能优化方法，包括以下步骤：
6.s1，构建沉降式离心机几何模型，取沉降式离心机综合性能影响参数、正交数值试验指标、水平个数和正交试验表作为正交数值试验参数；
7.s2，基于流体动力学方法，更改几何模型的结构参数以及模拟过程所需的运行参数，基于正交数值试验参数进行沉降式离心机的流场模拟，完成正交数值试验，计算得到每种方案的指标值；
8.s3，基于正交数值试验结果，对于满足工艺要求的实验结果进行优化；对于不满足工艺要求的实验结果重新确定正交数值试验参数范围，重复步骤s2，直至实验结果满足工艺要求后进行优化；
9.s4，基于正交数值试验指标的回归方程，确定沉降式离心机综合性能优化目标和限制条件，根据满足工艺要求的正交数值试验参数以及优化目标和限制条件采用遗传算法，获得沉降式离心机综合性能最优的方案。
10.进一步的，沉降式离心机综合性能影响参数包括结构参数和运行参数。
11.进一步的，结构参数包括转鼓直径和长径比；运行参数包括流量、转鼓转速和差转速。
12.进一步的，正交数值试验指标包括出渣含固率、固相回收率和运行功耗。
13.进一步的，水平个数为6；正交试验表安排5水平，6个因素和25个方案，采用标准正交表l
25
(56)。
14.进一步的，沉降式离心机综合性能优化目标为达到最小功耗和最小制造成本，最
小制造成本采用最小长径比表示，最小功耗采用最小比功耗表示；
[0015][0016]
式中，p是沉降式离心机稳定运行下所用功率，其包括主电机功率和副电机功率，q是进料体积流量，α
l,feed
为进料液相体积分数，α
l,out
为排渣口液相体积分数。
[0017]
进一步的，利用creo软件建立沉降式离心机流体域的三维模型，然后将三维模型导入icem软件进行网格划分，将进行网格划分后的三维模型导入流体力学分析软件fluent，利用流体力学分析软件fluent进行沉降式离心机的数值计算。
[0018]
一种沉降式离心机综合性能优化系统，包括：
[0019]
正交数值试验模块，用于根据输入的正交数值试验参数进行沉降式离心机的流场模拟，得到每种方案的指标值，对于满足工艺要求的实验结果进行优化；对于不满足工艺要求的实验结果重新输入确定正交数值试验参数范围，直至实验结果满足工艺要求后进行优化；
[0020]
性能优化模块，用于根据满足工艺要求的正交数值试验参数以及优化目标和限制条件采用遗传算法，获得沉降式离心机综合性能最优的方案并输出。
[0021]
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行上述沉降式离心机综合性能优化方法的步骤。
[0022]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述沉降式离心机综合性能优化方法的步骤。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0024]
本发明一种沉降式离心机综合性能优化方法，通过基于流体动力学方法，更改几何模型的结构参数以及模拟过程所需的运行参数，基于正交数值试验参数进行沉降式离心机的流场模拟，完成正交数值试验，计算得到每种方案的指标值；基于正交数值试验指标的回归方程，确定沉降式离心机综合性能优化目标和限制条件，根据满足工艺要求的正交数值试验参数以及优化目标和限制条件采用遗传算法，获得沉降式离心机综合性能最优的方案，利用数值模拟技术，基于正交数值试验法得到了沉降式离心机出渣含固率和比功耗的回归模型，基于遗传算法的沉降式离心机综合性能优化方法，本发明能够快速合理的获取沉降式离心机综合性能，方法简单，在满足工艺要求的基础上，降低设备运行功耗和制造成本，并提高了设计人员的设计效率，为沉降式离心机的多参数优化设计提供了参考。
[0025]
进一步的，正交数值试验和遗传算法对沉降式离心机进行综合性能优化设计，实现了在满足工艺要求的基础上，降低设备运行功耗和制造成本。
[0026]
一种沉降式离心机综合性能优化系统，能够根据多参数进行沉降式离心机性能的优化，降低设备运行功耗和制造成本，提高了设计效率。
附图说明
[0027]
图1是本发明实施例中沉降式离心机综合性能优化流程示意图。
[0028]
图2是本发明实施例中沉降式离心机流体域示意图。
[0029]
图3是本发明实施例中沉降式离心机固相体积分数示意图。
[0030]
图4是本发明实施例中遗传算法迭代过程示意图。
[0031]
图中，1、液相出口；2、液相入口；3、进料管；4、柱段；5、预旋区；6、锥段；7、固相出口。
具体实施方式
[0032]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0033]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。
[0034]
本发明的一种沉降式离心机综合性能优化方法中，如图1所示，本发明基于正交数值试验法，得到了沉降式离心机出渣含固率和比功耗的回归模型，提出了基于遗传算法的沉降式离心机综合性能优化方法。该优化方法对于提高沉降式离心机综合性能具有指导意义。主要内容如下：
[0035]
所述沉降式离心机包括转鼓、设置在中心轴上的螺旋叶片和进料分布器。所述转鼓通过主电机和皮带驱动，所述中心轴与差速器连接，差速器与副电机连接；所述转鼓与螺旋叶片之间存在微小间隙。
[0036]
一种沉降式离心机综合性能优化方法，包括以下步骤：
[0037]
s1，构建沉降式离心机几何模型，基于沉降式离心机综合性能影响参数、正交数值试验指标、水平个数和正交试验表进行正交数值试验；
[0038]
沉降式离心机综合性能影响参数对沉降式离心机综合性能影响显著且可以调整，将沉降式离心机综合性能影响参数作为正交试验影响参数，沉降式离心机综合性能影响参数的范围根据结合实际经验确定。
[0039]
沉降式离心机综合性能影响参数包括结构参数和运行参数；
[0040]
结构参数包括转鼓直径和长径比；运行参数包括流量、转鼓转速和差转速。
[0041]
正交数值试验指标包括出渣含固率、固相回收率和运行功耗；正交数值试验的指标可反映沉降式离心机的性能。
[0042]
水平个数为6；正交试验表安排5水平，6个因素和25个方案，采用标准正交表l
25
(56)，如表1。
[0043]
表1 正交试验因素与水平
[0044][0045]
[0046]
s2，基于流体动力学方法(cfd方法)，更改几何模型的结构参数以及模拟过程所需的运行参数，进行沉降式离心机的流场模拟，完成正交数值试验，计算得到每种方案的指标值；
[0047]
利用creo软件建立沉降式离心机流体域的三维模型，然后将三维模型导入icem软件进行网格划分，将进行网格划分后的三维模型导入流体力学分析软件fluent，利用流体力学分析软件fluent进行沉降式离心机的数值计算。
[0048]
s3，基于正交数值试验结果，即每种方案的指标值，对于满足工艺要求的实验结果进行优化设计；对于不满足工艺要求的实验结果重新确定参数的范围，重复步骤s2，直至实验结果满足工艺要求；
[0049]
所述满足工艺要求即满足正交数值试验指标，包括出渣含固率、固相回收率和运行功耗。
[0050]
s4，基于正交数值试验指标的回归方程，确定沉降式离心机综合性能优化目标和限制条件；然后根据优化目标和限制条件采用遗传算法，获得沉降式离心机综合性能最优的方案。
[0051]
沉降式离心机综合性能优化目标为达到最小功耗和最小制造成本。最小制造成本采用最小长径比表示。最小功耗采用最小比功耗表示。
[0052]
限制条件包括达到工艺要求的分离效果，影响参数位于步骤s1所设置范围内。所述分离效果用出渣含固率表示。
[0053]
具体的，遗传算法具体是影响因素的范围内随机产生一定数目的初始染色体组成种群，选择基于目标函数适应度的评价函数来评价每一个染色体的优劣，从当前染色体中选出优良染色体，作为新一代种群，并进行交叉和变异，产生新型的基因，开发出进化程度更高的群体，对新种群重复进行选择、交叉和变异操作，经过给定代数的进化以后，把最好的染色体作为优化问题的最优解。通过遗传算法迭代，最终获得沉降式离心机综合性能最优的方案。
[0054]
利用流体力学分析软件fluent进行沉降式离心机的数值计算，稳态下固相体积分数云图如图3所示。
[0055]
表2 沉降式离心机几何模型基本尺寸
[0056][0057]
实施例
[0058]
本发明一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，
所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器采用中央处理单元(cpu)，或者采用其他通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可用于沉降式离心机综合性能优化方法的操作。
[0059]
一种沉降式离心机综合性能优化系统，包括正交数值试验模块，用于根据输入的正交数值试验参数进行沉降式离心机的流场模拟，得到每种方案的指标值，对于满足工艺要求的实验结果进行优化；对于不满足工艺要求的实验结果重新输入确定正交数值试验参数范围，直至实验结果满足工艺要求后进行优化；
[0060]
性能优化模块，用于根据满足工艺要求的正交数值试验参数以及优化目标和限制条件采用遗传算法，获得沉降式离心机综合性能最优的方案并输出。
[0061]
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体采用计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。计算机可读存储介质包括终端设备中的内置存储介质，提供存储空间，存储了终端的操作系统，也可包括终端设备所支持的扩展存储介质。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non
‑
volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中可用于沉降式离心机综合性能优化方法的相应步骤。
[0062]
流体模拟的边界条件和求解方法为：固相以滑石粉为例，液相为水。两相可视为不可压缩流体，液相密度为998.2kg/m3，固相密度为2600kg/m3，入口固体体积分数为20％，颗粒平均粒径为20μm。由于流体域在高速旋转，固相和液相出口的流动速度和压力未知，因此假设出口处除压力外的所有流动参量法向梯度为零，即采用outflow边界条件。所有壁面采用无滑移条件。采用动参考系(mrf)模型，旋转区域以3000r/min转动，螺旋叶片定义为运动壁面，以差转速50r/min以相同方向旋转。旋转区域与静止区域交界面使用interface边界条件。求解方法采用simple算法，压力离散格式采用presto，速度离散格式采用一阶迎风格式，湍动能和湍流耗散率采用quick离散格式。
[0063]
所述的沉降式离心机综合性能优化目标包括但不局限于达到最小功耗和最小制造成本。优选地，最小制造成本可由最小长径比表示。优选地，最小功耗可用最小比功耗表示，即单位体积脱水量所需的能耗。
[0064][0065]
式中，p是沉降式离心机稳定运行下所用功率，其包括主电机功率和副电机功率，q是进料体积流量，α
l,feed
为进料液相体积分数，α
l,out
为排渣口液相体积分数。
[0066]
所描述的遗传算法迭代过程如图4，设置初始种群规模为60。遗传最大代数80。代沟为0.9。原设计方案为长径比2.7，转鼓转速3500r/min，差转速20r/min，流量6m3/h，半锥
角11
°
。原方案的比功耗为28.13mj/m3，出渣含固率为73.03％。经过遗传算法迭代，种群的平均出渣含固率稳定在设定值72％，种群的最小比功耗最终稳定在16.08mj/m3。最终优化后的设计方案为长径比2.71，转鼓转速2923r/min，差转速5.89r/min，流量6.18m3/h，半锥角7.0
°
。优化后方案的比功耗为16.08mj/m3，出渣含固率为72％。较原设计方案，经过多参数优化的设计方案的比功耗降低了42.8％。
[0067]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。