本發(fā)明屬于水下推進器應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種泵噴推進器多目標快速優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對魚雷高航速、低輻射噪聲性能的需求日益突出，推進器作為魚雷動力的核心組成，在歷代魚雷技術(shù)變革中均起著重大作用。尤其是，在高航速時，由于推進器噪聲隨轉(zhuǎn)速而增加的速率遠高于其它機械方面的噪聲源，此時推進器噪聲成為首位的噪聲源。泵噴水推進器由于具有推進效率高、抗空化能力強和輻射噪聲低等優(yōu)點，在國外水下航行體推進上存在廣泛應(yīng)用。但是，出于軍事和技術(shù)保密原因，國外極少有高性能泵噴優(yōu)化設(shè)計方法的文獻公開發(fā)表，已發(fā)表的文獻基本上都集中在試驗研究和仿真計算方法上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種泵噴推進器多目標快速優(yōu)化設(shè)計方法，完成人力難以完成的優(yōu)化設(shè)計工作。

本發(fā)明提供了一種泵噴推進器多目標快速優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟：

a.根據(jù)目標泵噴水推進器的流量、揚程、轉(zhuǎn)速進出口尺寸以及揚程的定義式，確定葉輪葉片進出口載荷數(shù)值。

b.以葉輪葉片進出口載荷數(shù)值作為葉片的設(shè)計變量，建立葉輪和導葉葉片載荷的參數(shù)化設(shè)計模型.

c.基于葉輪和導葉葉片載荷的參數(shù)化模型確定的樣本設(shè)計變量，采用遺傳優(yōu)化算法完成設(shè)計變量全局的快速搜索，生成不同葉片載荷分布的設(shè)計樣本。

d.采用三元反問題設(shè)計方法完成葉輪葉片的設(shè)計，并將葉輪出口速度作為導葉進口邊界條件完成導葉與葉輪的匹配設(shè)計。

e.導管外部型線采用水動力性能較好的翼型結(jié)構(gòu)，導管內(nèi)部型線采用直線結(jié)構(gòu)來保證泵噴內(nèi)部過流斷面的通暢性，進而完成泵噴推進器整體樣本設(shè)計。

f.采用計算流體力學方法，在考慮水流粘性作用的條件下，完成泵噴推進器設(shè)計樣本水動力性能計算，量化效率和空化性能指標。

g.采用響應(yīng)面模型分析設(shè)計變量和泵噴性能之間的關(guān)系，并分析設(shè)計變量之間的相關(guān)性和敏感性以及選擇最優(yōu)設(shè)計樣本。

h.借助模型試驗方法完成最優(yōu)設(shè)計樣本的性能測試，驗證設(shè)計結(jié)果的有效性。

上述技術(shù)方案中，步驟a中泵類推進器的進出口環(huán)量差決定了推進器的揚程，揚程的高低決定了推進器做功能力的大小，揚程Ht＝ω(г2-г1)/(2gπ)，其中ω表示角速度，г＝2πRvu表示葉輪剖面的環(huán)量，下標1和2代表了進口和出口位置。

上述技術(shù)方案中，步驟d根據(jù)步驟c確定的槳葉葉片不同截面環(huán)量沿軸面流線的分布規(guī)律，進而可以采用泵三元設(shè)計程序/軟件完成葉輪葉片外型設(shè)計；導葉的設(shè)計與葉輪相匹配，導葉進口環(huán)量等于葉輪的出口環(huán)量，導葉出口環(huán)量理論上接近為零；根據(jù)葉輪出口環(huán)量以及導葉樣本的載荷分布，可以得到導葉葉片不同截面的環(huán)量沿軸面流線分布規(guī)律，進而采用泵三元設(shè)計程序/軟件完成導葉葉片的三元設(shè)計。

本發(fā)明的目的是提供一種基于響應(yīng)面模型、優(yōu)化算法、計算流體力學、葉片載荷分布參數(shù)化、葉片三元反問題設(shè)計程序和模型試驗的高效率、抗空化泵噴推進器多目標快速優(yōu)化設(shè)計方法，樣本設(shè)計過程中可以考慮粘性以及葉輪與導葉匹配作用對泵噴推進器總體性能的影響，并借助高性能計算機平臺，完成人力難以完成的優(yōu)化設(shè)計工作。本發(fā)明在樣本設(shè)計過程中考慮粘性以及葉輪與導葉匹配作用，設(shè)計結(jié)果更真實有效。本發(fā)明基于一體化數(shù)值試驗平臺、優(yōu)化算法和響應(yīng)面模型完成大量樣本的全局優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計過程更高效快捷。

附圖說明

圖1是本發(fā)明設(shè)計流程圖；

圖2是本發(fā)明葉片載荷參數(shù)化模型

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，便于清楚地了解本發(fā)明，但它們不對本發(fā)明構(gòu)成限定。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種泵噴推進器多目標快速優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟：

1)根據(jù)目標泵噴水推進器的揚程、轉(zhuǎn)速、進出口尺寸以及揚程的定義式，確定葉輪葉片進出口載荷數(shù)值。通常在口語上，我們采用葉片載荷大小來表示葉片做功的強弱，實際上載荷分布即是學術(shù)用語中的葉片環(huán)量分布。泵類推進器的進出口環(huán)量差決定了推進器的揚程，揚程的高低決定了推進器做功能力的大小，根據(jù)《現(xiàn)代泵理論與設(shè)計》中揚程的定義式可知揚程Ht＝ω(г2-г1)/(2gπ)，其中ω表示角速度，г＝2πRvu表示葉輪剖面的環(huán)量，下標1和2代表了進口和出口位置。因此，在葉輪進口無旋的條件下，我們根據(jù)目標泵噴水推進器的揚程、轉(zhuǎn)速、進出口尺寸以及揚程的定義式，可以確定葉輪葉片進出口載荷數(shù)值。達到葉輪和導葉流場的最優(yōu)匹配，本發(fā)明提出的前置側(cè)斜導葉式泵噴水推進器的葉輪進口環(huán)量須等于導葉出口的環(huán)量，即是導葉載荷與葉輪載荷須匹配。另外，根據(jù)低噪聲推進器設(shè)計的實踐經(jīng)驗，空泡是推進器的重要噪聲源，而推進器槳葉稍部是線速度最高的部位，也是最容易出現(xiàn)空泡的位置。為此，本發(fā)明提出了通過降低導葉葉稍的載荷(環(huán)量)以達到抑制泵噴葉輪稍渦流動和降低推進器噪聲的目的。

2)以葉片載荷分布作為葉片的設(shè)計變量，建立葉輪和導葉葉片載荷的參數(shù)化設(shè)計模型，如附圖2所示。我們采用三段式結(jié)構(gòu)來描述葉片的載荷分布，即是附圖2中所示的0-a區(qū)間的拋物線、a-b區(qū)間的直線和b-1區(qū)間的拋物線。因此，我們可以采用a(直線段起點的橫坐標)、b(直線段終點的橫坐標)、c(直線段起點對應(yīng)的縱坐標)、d(直線段終點對應(yīng)的縱坐標)、l0(第一段拋物線在縱坐標的截距)、θ(直線段的傾斜角度)六個參數(shù)確定葉片的載荷分布曲線。

3)基于葉片載荷的參數(shù)化模型確定的樣本設(shè)計變量(如附圖2中a、b、c、d、l0、θ)，采用遺傳優(yōu)化算法完成設(shè)計變量全局的快速搜索，生成不同葉片載荷分布的設(shè)計樣本。

4)采用三元反問題設(shè)計方法完成泵噴葉輪葉片的設(shè)計，并將葉輪出口速度作為導葉進口邊界條件完成導葉與葉輪的匹配設(shè)計。根據(jù)步驟3)確定的槳葉葉片不同截面環(huán)量沿軸面流線的分布規(guī)律，進而可以采用泵三元設(shè)計程序/軟件完成葉輪葉片外型設(shè)計。導葉的設(shè)計須與葉輪相匹配，為保證流動的流暢性，導葉進口環(huán)量等于葉輪的出口環(huán)量，并且為產(chǎn)生盡可能大的軸向力，導葉出口環(huán)量理論上應(yīng)接近為零。因此，根據(jù)葉輪出口環(huán)量以及導葉樣本的載荷分布，可以得到導葉葉片不同截面的環(huán)量沿軸面流線分布規(guī)律，進而采用泵三元設(shè)計程序/軟件完成導葉葉片的三元設(shè)計。

5)導管外部型線采用水動力性能較好的翼型結(jié)構(gòu)，導管內(nèi)部型線采用直線結(jié)構(gòu)來保證泵噴內(nèi)部過流斷面的通暢性，進而完成泵噴推進器整體樣本設(shè)計。

6)采用計算流體力學方法，在考慮水流粘性作用的條件下，完成泵噴推進器設(shè)計樣本水動力性能計算，量化效率和空化等性能指標，具體可參考文獻《混流式噴水推進泵三元設(shè)計及數(shù)值試驗》。

7)采用響應(yīng)面模型探索設(shè)計變量和泵噴性能之間的關(guān)系，并分析設(shè)計變量之間的相關(guān)性和敏感性以及選擇最優(yōu)設(shè)計樣本。

8)借助模型試驗方法完成最優(yōu)設(shè)計樣本的性能測試，驗證設(shè)計方法的有效性。

本發(fā)明提出的水下航行體泵噴推進器的多目標快速優(yōu)化設(shè)計方法，主要擦用葉片載荷參數(shù)化模型、葉片三元反問題設(shè)計程序、計算流體力學、優(yōu)化算法和響應(yīng)面模型組成的一體化數(shù)值試驗平臺，完成泵噴推進器多目標快速優(yōu)化設(shè)計，樣本設(shè)計過程中可以考慮粘性以及葉輪與導葉匹配作用對泵噴推進器總體性能的影響，并借助模型試驗，驗證最優(yōu)設(shè)計樣本性能和泵噴推進器多目標快速優(yōu)化設(shè)計方法。所述多目標快速優(yōu)化設(shè)計方法的特征在于葉片參數(shù)化設(shè)計模型為整個設(shè)計平臺提供精煉而有效的設(shè)計變量；葉片三元反問題設(shè)計程完成給定設(shè)計變量條件下的葉片形狀的三維設(shè)計，設(shè)計過程不考慮水流粘性；優(yōu)化算法完成變量的快速有效的全局搜索，實現(xiàn)樣本變量的全局優(yōu)化；計算流體力學方法完成設(shè)計樣本在考慮粘性條件下的推進和空化性能計算與分析，并量化效率和空化性能指標；響應(yīng)面模型用于探索設(shè)計變量和泵噴性能之間的關(guān)系，并分析設(shè)計變量之間的相關(guān)性和敏感性；模型試驗完成最優(yōu)設(shè)計樣本的性能測試，驗證設(shè)計方法的有效性。

本說明書未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。