1.一种基于离心泵压力脉动线谱抑制的叶轮优化设计方法,其包括以下步骤:步骤S1:采用数值模拟方法获取速度场数据,并在叶片上设置动态监测点,获取叶轮流道的压力场数据,同时绘制压力脉动频谱图;
步骤S2:使用MATLAB软件对速度场数据和监测点获取的压力场数据进行模态能量分解,通过模态能量分解获取该压力场各阶模态Pmode和速度场各阶模态Vmode以及各阶模态对应的时间系数;
步骤S3:使用MATLAB软件对Pmode和Vmode的时间系数进行快速傅里叶变换,绘制各阶模态对应的时间系数线谱图;
步骤S4:对Pmode的时间系数线谱图进行对比找到峰值最大的模态记为Pmodem;
步骤S5:使用Pmodem的时间系数与各阶Vmode的时间系数进行互相关分析,对于呈现高度相关的所有阶Vmode均进行记录,按照阶数记为Vmodex,其中x表示该模态对应的阶数,同时记录上述Vmodex所对应的能量占比;
步骤S6:将叶轮子午面通过贝塞尔Bezier曲线方法参数化,并设置参数控制点,在规定位置范围内移动,并采用数值模拟方法获取不同参数下的叶轮流道速度场数据,进行模态分解,获取与步骤S5所记录的Vmodex阶数相对应的模态;
步骤S7:针对上述步骤S6所获取的模态,确定能够降低该阶模态能量占比至20%以下的参数控制点,并进行记录,作为叶轮的优化参数;
步骤S8:在不影响泵扬程和效率的前提下,通过调整上述步骤S7所记录参数控制点位置,以抑制压力脉动强度和控制压力脉动线谱为目标,对叶轮进行优化设计。
2.如权利要求1所述的一种基于离心泵压力脉动线谱抑制的叶轮优化设计方法,其特征在于,上述步骤S2中,对压力脉动数据进行模态能量分解的具体方法为:首先根据监测点检测到的压力场数据,构建矩阵P如下式所示:其中N是时间步长的总数,M是空间节点的数量;计算相关矩阵C,T
C=PP
i i
根据下式计算相应的特征值λ和特征向量A,
i i
CA=λA
对上式求解的特征值大小进行排序,
1 2 N
λ>λ>…>λ≥0。
3.如权利要求1所述的一种基于离心泵压力脉动线谱抑制的叶轮优化设计方法,其特征在于,上述步骤S5中,通过互相关分析找出影响压力脉动主线谱的流动结构模态,具体步骤包括:(1)在MATLAB中编写求解互相关系数的函数,互相关函数定义为:(2)对得到的Pmodem和Vmode的时间系数进行互相关分析,获取其相关系数,其中相关系数代表的相关程度如下所示:相关系数 相关程度
0.0~±0.30 微相关
±0.30~±0.50 实相关
±0.50~±0.80 显著相关
±0.80~±1.00 高度相关
(3)选取相关系数为±0.80~±1.00的速度场模态。
4.如权利要求1所述的一种基于离心泵压力脉动线谱抑制的叶轮优化设计方法,其特征在于,上述步骤S6中,设置优化参数控制点的具体方法为:在叶轮子午面设置参数控制点p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9,其中p7、p8为闭式叶轮出口宽度控制点,p6、p9为叶轮进口直径控制点,p1在p9所在水平线上移动,p1、p8和p9通过贝塞尔Bezier曲线拟合生成叶轮子午面的叶轮后盖板型线,p2在p6所在水平线上移动,p2、p6和p7通过Bezier曲线拟合生成叶轮子午面前盖板型线,p3横纵坐标均在p4和p5之间移动,p4在前盖板型线上移动,p5在后盖板型线上移动,p3、p4和p5通过Bezier曲线拟合生成过水断面生成线。
5.如权利要求4所述的一种基于离心泵压力脉动线谱抑制的叶轮优化设计方法,其特征在于,上述步骤S7中,确定需要优化参数的具体方法为:(1)采用控制变量法使得参数控制点在规定位置范围内进行改变,p7和p8在水平方向进行移动,移动范围为初始叶轮出口宽度的百分之十;p9和p6在垂直方向移动,移动范围为初始叶轮进口直径的百分之十;线段p1p8与垂线夹角在10°和‑10°之间,从而确定p1移动范围;线段p2p7与垂线夹角在10°和‑10°之间,从而确定p2移动范围;P3、P4和P5均为无量纲参数控制点,取值范围为[0,1];p4的范围表示轴面投影图中前盖板线上移动范围,p5的范围表示在轴面投影图中后盖板线上移动范围;当P4等于0时,则P4与P6重合,当P4等于1时,P4与P7重合;当P3横纵坐标均为1时,控制点P3与P4重合,当P3横纵坐标为0时,控制点P3与P5重合。各参数控制点具体位置移动范围如下所示:控制点 坐标 位置移动范围
P1 z [z1‑D2*tan10°,z1+D2*tan10°]P2 z [z2‑(D2‑D1)*tan10°,z2+(D2‑D1)*tan10°]P6 r [r6‑0.1*D1,r6+0.1*D1]
P7 z [r7‑0.1*b2,r7+0.1*b2]
P8 z [r8‑0.1*b2,r8+0.1*b2]
P9 r [r9‑0.1*D1,r9+0.1*D1]
其中D1为初始叶轮的进口直径,D2为初始叶轮出口直径,b2为叶轮出口宽度,z1、z2为p1、p2所对应原始参数控制点横坐标,r6、r7、r8、r9为p6、p7、p8、p9所对应的原始参数控制点纵坐标;
(2)使用数值模拟的方法获取随控制点位置改变后的速度场,并进行模态分解得到上述步骤S6所述的各阶模态,并对不同参数下该阶模态的能量占比进行记录,选取能够致使该阶模态能量占比降低至20%以下的参数控制点,作为优化参数。
6.如权利要求5所述的一种基于离心泵压力脉动线谱抑制的叶轮优化设计方法,其特征在于,上述步骤S8中,根据所记录的参数控制点对叶轮子午面进行优化的具体方法包括:(1)采用基于向量回归的高维模型(SVR‑HDMR)离心泵叶轮优化设计方法,根据上述步骤S7选取的叶轮设计变量控制点的决策边界生成SVR‑HDMR训练样本,构建SVR‑HDMR模型,并采用数值模拟,在叶片上设置动态监测点获取训练样本对应的压力脉动幅值;
其中SVR‑HDMR模型的表达式表示为:
(2)根据SVR‑HDMR训练样本数据构建变量与压力脉动峰值的SVR‑HDMR函数;
(3)经过训练样本的机器学习之后,使用模拟退火算法对SVR‑HDMR函数进行寻优,获取最佳设计参数;
(4)数值模拟验证是否达到优化目标,若优化后的压力脉动降低幅度大于原始数据的
6%则达到优化目标,否则更新样本点,重构SVR‑HDMR函数,重复步骤(3)和步骤(4),直至达到优化目标。