2018/10/31

基于TCFD和CAESES的离心泵性能优化

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TCFD是CFD Support团队为我们带来的新一代叶轮机械专用CFD模拟工具。TCFD不受用户人数和核数的限制,具有完全自动化的流程,极大地提升了CFD模拟的效率;同时,它保持求解器的开源,可以由用户自行决定CFD研究的深度,能够更充分的利用硬件功能使之用于CFD模拟过程。



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CAESES是一款能够为仿真工程师提供全参数化的CAD模型,并将其与自动化工具和优化工具相结合的软件工具。CAESES的侧重点就是为仿真提供稳定的几何模型,以及这些几何模型的稳健变化,以便进行更快速,更全面的设计研究和形状优化。


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智能和高效的工作流程


现代化的CAE工作流程是由一系列特定且复杂的任务流程构成的,为了能够得到显著且有效的结果,需要保证流程中每一步操作的正确性。因此,未来的CAE流程将转变为由专业人士制作的由专业的软件包连接构成的自动化工作流程。


在此我们推出了一个由TCFD和CAESES两个软件包构成的智能高效的叶轮机械设计优化工作流程。



典型案例——离心泵


离心泵是利用叶轮旋转而使水发生离心运动来工作的。叶轮是离心泵的核心部分,对离心泵性能有着重要影响。我们选择了一款现有的离心泵模型,来作为演示设计流程的案例,该离心泵主要性能参数如下所示:


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该优化案例的优化目标是,在转速和流量保持不变的情况下,尽可能地提高效率。


优化流程


首先需要创建离心泵的几何模型。CAESES提供了一个CAD环境,其中包括方便灵活的创建几何变体,定义高效的参数化模型并输出用于模拟的模型。之后,在TCFD中创建基于CAESES输出模型的CFD模拟设置模板,并返回到CAESES的软件连接器。最后,设置CAESES里的优化策略,之后会自动生成不同的几何变体并使用TCFD进行模拟。


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离心泵参数化建模——CAESES


按CFD的计算需求创建离心泵的介质流动域。整个几何模型被划分成进口域、转子域和蜗壳域。参数化的几何模型简要总结如下:


转子叶片数:4


转子叶片几何主要设计变量为不同截面的进出口气流角及包角等,参数变化示意如下:


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delta_beta11                                                                        delta_beta12


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delta_beta2                                                                              delta_t01


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delta_t02                                                                      delta_theta_end


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delta_theta_mid


CFD设置——TCFD


在TCFD的智能化GUI中,可以设置和保存模板化配置文件(*.tcfd)。该设置包含基于CAESES导出的多个STL(volute.stl,rotor.stl)模型创建计算网格的设置,以及CFD参数和结果的自定义:


● 处理器设置:

   稳态过程

   不可压流质

   湍流模型(kOmegaSST)

   包含旋转件的旋转域

   每个工况点迭代4000步


● 模拟设置:

   980转每分钟

   单个工况点(TCFD中可以直接设定多个工况并依次计算)

   进口体积流量:70L/s

   出口静压:0Pa


● 计算网格:

   进口域:约250000

   转子域:约1700000

   蜗壳域:约220000

   出口域:约250000

   背景网格尺寸:2mm


● 后处理:

   效率


优化——CAESES


CAESES包含最先进的优化算法,包括用于快速研究的单目标策略及更复杂的多目标算法,通过算法可以控制参数化离心泵模型进行变化。


将TCFD软件的配置模板(*.tcfd)文件导入到CAESES中,并设置TCFD软件计算程序启动路径,CAESES即可调用TCFD对每一次变化后的模型进行仿真分析。


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我们定义给定工况下离心泵的效率为优化目标。首先采用CAESES中的Sobol算法进行了30个模型的计算,结果如下所示:


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最终得到的最优模型相比初始模型效率提升了4.4个百分点左右,具体数值如下表所示:


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初始设计和优化设计模型对比如下(左边为初始设计,右边为优化设计):


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总结


在短时间内,通过CAESES和TCFD的结合,通过改变离心泵叶片的几何形状,提高了其整体效率,后续还可以采用遗传算法等对泵效率进行进一步提升。


这份研究报告展示了TCFD和CAESES共同工作的过程。CAESES能为您的几何建模和优化提供无限的可能。TCFD在用户数量,作业或核心数量方面带来无限制的CFD功能,使得硬件资源可以100%使用,没有任何限制。这个过程是自动化的,并可以为其他任何叶轮机械量身定制。这种组合为工程师提供了一个流畅的现代CAE工具,使他们的工作更高效,这种高度自动化的分析优化流程,不仅适用于具有经验的资深工程师,也适用于普通工程师,进一步的解放人力,使得工程师能够更加专注于产品设计本身。