泵喷推进器多目标快速优化设计方法与流程

本发明属于水下推进器应用领域，具体涉及一种泵喷推进器多目标快速优化设计方法。

背景技术：

现代战争对鱼雷高航速、低辐射噪声性能的需求日益突出，推进器作为鱼雷动力的核心组成，在历代鱼雷技术变革中均起着重大作用。尤其是，在高航速时，由于推进器噪声随转速而增加的速率远高于其它机械方面的噪声源，此时推进器噪声成为首位的噪声源。泵喷水推进器由于具有推进效率高、抗空化能力强和辐射噪声低等优点，在国外水下航行体推进上存在广泛应用。但是，出于军事和技术保密原因，国外极少有高性能泵喷优化设计方法的文献公开发表，已发表的文献基本上都集中在试验研究和仿真计算方法上。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种泵喷推进器多目标快速优化设计方法，完成人力难以完成的优化设计工作。

本发明提供了一种泵喷推进器多目标快速优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

a.根据目标泵喷水推进器的流量、扬程、转速进出口尺寸以及扬程的定义式，确定叶轮叶片进出口载荷数值。

b.以叶轮叶片进出口载荷数值作为叶片的设计变量，建立叶轮和导叶叶片载荷的参数化设计模型.

c.基于叶轮和导叶叶片载荷的参数化模型确定的样本设计变量，采用遗传优化算法完成设计变量全局的快速搜索，生成不同叶片载荷分布的设计样本。

d.采用三元反问题设计方法完成叶轮叶片的设计，并将叶轮出口速度作为导叶进口边界条件完成导叶与叶轮的匹配设计。

e.导管外部型线采用水动力性能较好的翼型结构，导管内部型线采用直线结构来保证泵喷内部过流断面的通畅性，进而完成泵喷推进器整体样本设计。

f.采用计算流体力学方法，在考虑水流粘性作用的条件下，完成泵喷推进器设计样本水动力性能计算，量化效率和空化性能指标。

g.采用响应面模型分析设计变量和泵喷性能之间的关系，并分析设计变量之间的相关性和敏感性以及选择最优设计样本。

h.借助模型试验方法完成最优设计样本的性能测试，验证设计结果的有效性。

上述技术方案中，步骤a中泵类推进器的进出口环量差决定了推进器的扬程，扬程的高低决定了推进器做功能力的大小，扬程Ht＝ω(г2-г1)/(2gπ)，其中ω表示角速度，г＝2πRvu表示叶轮剖面的环量，下标1和2代表了进口和出口位置。

上述技术方案中，步骤d根据步骤c确定的桨叶叶片不同截面环量沿轴面流线的分布规律，进而可以采用泵三元设计程序/软件完成叶轮叶片外型设计；导叶的设计与叶轮相匹配，导叶进口环量等于叶轮的出口环量，导叶出口环量理论上接近为零；根据叶轮出口环量以及导叶样本的载荷分布，可以得到导叶叶片不同截面的环量沿轴面流线分布规律，进而采用泵三元设计程序/软件完成导叶叶片的三元设计。

本发明的目的是提供一种基于响应面模型、优化算法、计算流体力学、叶片载荷分布参数化、叶片三元反问题设计程序和模型试验的高效率、抗空化泵喷推进器多目标快速优化设计方法，样本设计过程中可以考虑粘性以及叶轮与导叶匹配作用对泵喷推进器总体性能的影响，并借助高性能计算机平台，完成人力难以完成的优化设计工作。本发明在样本设计过程中考虑粘性以及叶轮与导叶匹配作用，设计结果更真实有效。本发明基于一体化数值试验平台、优化算法和响应面模型完成大量样本的全局优化设计，设计过程更高效快捷。

附图说明

图1是本发明设计流程图；

图2是本发明叶片载荷参数化模型

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种泵喷推进器多目标快速优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据目标泵喷水推进器的扬程、转速、进出口尺寸以及扬程的定义式，确定叶轮叶片进出口载荷数值。通常在口语上，我们采用叶片载荷大小来表示叶片做功的强弱，实际上载荷分布即是学术用语中的叶片环量分布。泵类推进器的进出口环量差决定了推进器的扬程，扬程的高低决定了推进器做功能力的大小，根据《现代泵理论与设计》中扬程的定义式可知扬程Ht＝ω(г2-г1)/(2gπ)，其中ω表示角速度，г＝2πRvu表示叶轮剖面的环量，下标1和2代表了进口和出口位置。因此，在叶轮进口无旋的条件下，我们根据目标泵喷水推进器的扬程、转速、进出口尺寸以及扬程的定义式，可以确定叶轮叶片进出口载荷数值。达到叶轮和导叶流场的最优匹配，本发明提出的前置侧斜导叶式泵喷水推进器的叶轮进口环量须等于导叶出口的环量，即是导叶载荷与叶轮载荷须匹配。另外，根据低噪声推进器设计的实践经验，空泡是推进器的重要噪声源，而推进器桨叶稍部是线速度最高的部位，也是最容易出现空泡的位置。为此，本发明提出了通过降低导叶叶稍的载荷(环量)以达到抑制泵喷叶轮稍涡流动和降低推进器噪声的目的。

2)以叶片载荷分布作为叶片的设计变量，建立叶轮和导叶叶片载荷的参数化设计模型，如附图2所示。我们采用三段式结构来描述叶片的载荷分布，即是附图2中所示的0-a区间的抛物线、a-b区间的直线和b-1区间的抛物线。因此，我们可以采用a(直线段起点的横坐标)、b(直线段终点的横坐标)、c(直线段起点对应的纵坐标)、d(直线段终点对应的纵坐标)、l0(第一段抛物线在纵坐标的截距)、θ(直线段的倾斜角度)六个参数确定叶片的载荷分布曲线。

3)基于叶片载荷的参数化模型确定的样本设计变量(如附图2中a、b、c、d、l0、θ)，采用遗传优化算法完成设计变量全局的快速搜索，生成不同叶片载荷分布的设计样本。

4)采用三元反问题设计方法完成泵喷叶轮叶片的设计，并将叶轮出口速度作为导叶进口边界条件完成导叶与叶轮的匹配设计。根据步骤3)确定的桨叶叶片不同截面环量沿轴面流线的分布规律，进而可以采用泵三元设计程序/软件完成叶轮叶片外型设计。导叶的设计须与叶轮相匹配，为保证流动的流畅性，导叶进口环量等于叶轮的出口环量，并且为产生尽可能大的轴向力，导叶出口环量理论上应接近为零。因此，根据叶轮出口环量以及导叶样本的载荷分布，可以得到导叶叶片不同截面的环量沿轴面流线分布规律，进而采用泵三元设计程序/软件完成导叶叶片的三元设计。

5)导管外部型线采用水动力性能较好的翼型结构，导管内部型线采用直线结构来保证泵喷内部过流断面的通畅性，进而完成泵喷推进器整体样本设计。

6)采用计算流体力学方法，在考虑水流粘性作用的条件下，完成泵喷推进器设计样本水动力性能计算，量化效率和空化等性能指标，具体可参考文献《混流式喷水推进泵三元设计及数值试验》。

7)采用响应面模型探索设计变量和泵喷性能之间的关系，并分析设计变量之间的相关性和敏感性以及选择最优设计样本。

8)借助模型试验方法完成最优设计样本的性能测试，验证设计方法的有效性。

本发明提出的水下航行体泵喷推进器的多目标快速优化设计方法，主要擦用叶片载荷参数化模型、叶片三元反问题设计程序、计算流体力学、优化算法和响应面模型组成的一体化数值试验平台，完成泵喷推进器多目标快速优化设计，样本设计过程中可以考虑粘性以及叶轮与导叶匹配作用对泵喷推进器总体性能的影响，并借助模型试验，验证最优设计样本性能和泵喷推进器多目标快速优化设计方法。所述多目标快速优化设计方法的特征在于叶片参数化设计模型为整个设计平台提供精炼而有效的设计变量；叶片三元反问题设计程完成给定设计变量条件下的叶片形状的三维设计，设计过程不考虑水流粘性；优化算法完成变量的快速有效的全局搜索，实现样本变量的全局优化；计算流体力学方法完成设计样本在考虑粘性条件下的推进和空化性能计算与分析，并量化效率和空化性能指标；响应面模型用于探索设计变量和泵喷性能之间的关系，并分析设计变量之间的相关性和敏感性；模型试验完成最优设计样本的性能测试，验证设计方法的有效性。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。