学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于NSGA-II算法的轴流式叶片优化设计

作　者: 朱国俊
导　师: 罗兴錡；郭鹏程
学　校: 西安理工大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 参数化技术 NSGA-II遗传算法轴流式叶片导叶
分类号: TK730.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 96次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

转轮是水轮机的核心部件,转轮设计的好坏直接关系到水轮机的效率、运行稳定性和空化性能。为了提高水轮机的总体性能,水轮机转轮的水力设计理论与方法一直是水力机械研究领域关注的热点。本文针对轴流式水轮机叶片的水力优化设计方法进行研究,综合Bezier曲线参数化技术,全三维粘性CFD计算方法和NSGA-Ⅱ遗传算法,发展了一种基于NSGA-Ⅱ的适用于轴流式转轮叶片的CAD-CFD联合的多目标水力优化设计方法。该方法以轴流式转轮叶片的形状参数为优化变量,以转轮的能量性能和空化性能为目标函数,将NSGA-Ⅱ遗传算法引入作为优化工具来实现叶片的多目标优化设计。这种多目标水力优化设计方法的优化过程全部由计算机仿真完成,提高了设计工作的效率。将ZZ440轴流式转轮叶片作为优化设计的对象,以Bezier曲线参数化技术为基础,采用了叶片进口边沿轴向变化、叶片进口边沿轴向和周向变化、叶片进出口边分别在轴向和周向同时变化的三种参数化方法对轴流式叶片进行了表达,然后分别将这三种方法表达的轴流式叶片与具有NSGA-Ⅱ算法的CAD-CFD联合优化方法相结合进行了轴流式叶片的多目标优化设计,并对三种参数化方法的优化结果进行比较,发现将叶片的进出口边位置都作为设计变量参加优化的参数化方法是相对来说最好的。接下来,采用本方法进行了某电站水轮机模型活动导叶的水力性能优化设计。优化后导叶流道的进出口总压损失减少了26.97%,并且导叶表面上的最低静压力值上升了34.176%。优化后的导叶不仅流动损失减少了,而且也具有了更好的空化性能。计算结果表明，对于轴流叶轮机械叶片的优化问题,本文提出的多目标水力优化设计方法能够以较少的变量控制叶片几何形状,且能有效分析各设计变量对目标函数的影响程度和范围,缩小优化问题的规模,得到满意的优化结果,可作为一种有效的轴流式转轮叶片优化设计工具。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
1 绪论  7-15
  1.1 本课题研究背景及意义  7
  1.2 叶片优化技术的研究  7-10
    1.2.1 轴流式水轮机叶片设计方法的研究  7
    1.2.2 优化设计方法的发展  7-9
    1.2.3 基于智能优化算法的CAD-CFD联合优化方法  9-10
  1.3 多目标遗传算法的产生和发展  10-13
    1.3.1 基本遗传算法的产生和发展  10-11
    1.3.2 多目标遗传算法的产生和发展  11-13
  1.4 Bezier曲线曲面在流体机械中的应用  13-14
  1.5 本文的主要研究内容  14-15
2 基于NSGA-Ⅱ的CAD-CFD联合优化系统的建立  15-23
  2.1 系统中各模块的功能  15-16
  2.2 优化系统的建立  16-22
    2.2.1 参数化模块的集成  17
    2.2.2 网格划分模块的集成  17-18
    2.2.3 CFD性能预估模块的集成  18-22
  2.3 本章小结  22-23
3 轴流式转轮的初始设计与参数化  23-33
  3.1 奇点分布法  23-28
    3.1.1 沿翼型骨线环量密度γ(S)的选择  24
    3.1.2 给定第一次近似翼型  24-25
    3.1.3 给定第二次近似翼型  25-28
  3.2 转轮叶片的参数化  28-29
  3.3 叶片进口边的变化方法  29-31
  3.4 叶片出口边的变化方法  31-32
  3.5 本章小结  32-33
4 轴流式转轮内部流动的数值计算方法  33-41
  4.1 控制方程  33
  4.2 转轮内部流动的数值计算方法  33-36
  4.3 网格划分  36-37
  4.4 控制方程的离散与求解  37-40
    4.4.1 控制方程的离散  38-39
    4.4.2 方程组的求解  39-40
  4.5 边界条件的设置  40
    4.5.1 流动进口、出口边界条件  40
    4.5.2 壁面边界条件  40
  4.6 本章小结  40-41
5 非支配排序算法NSGA-Ⅱ  41-49
  5.1 基本概念  41
    5.1.1 Pareto支配关系  41
    5.1.2 Pareto最优解的定义  41
  5.2 NSGA算法的基本原理  41-42
  5.3 带精英策略的NSGA-Ⅱ算法  42-44
    5.3.1 快速非支配排序方法的原理  42-43
    5.3.2 拥挤度的概念  43
    5.3.3 拥挤度比较算子  43-44
  5.4 NSGA-Ⅱ算法主流程  44-45
  5.5 算法验证  45-47
  5.6 叶片多目标优化设计的数学模型  47
  5.7 本章小结  47-49
6 算例验证  49-69
  6.1 导叶的优化  49-53
    6.1.1 导叶的参数化造型  49-50
    6.1.2 流场计算  50-51
    6.1.3 优化结果  51-53
  6.2 轴流式叶片的优化  53-68
    6.2.1 进口边只在轴向上变化  54-57
    6.2.2 进口边在轴向和周向上都有变化  57-59
    6.2.3 进、出口边在轴向和周向上同时变化  59-62
    6.2.4 三种参数化方法的优化结果分析  62-68
  6.3 本章小结  68-69
7 总结与展望  69-70
  7.1 总结  69
  7.2 展望  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-74
附录在校期间发表的论文  74

基于NSGA-II算法的轴流式叶片优化设计

内容摘要

全文目录

相似论文