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基于改进粒子群算法的管道泵多目标优化设计研究

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基于改进粒子群算法的管道泵多目标优化设计研究

作者：甘星城江苏大学

学位级别：硕士

立式管道泵是一种具有肘形进口结构的单级单吸离心泵,其结构简单、占地面积小、易于安装和维修,广泛用于安装空间受限的场所,如高楼供水、船舶运输等。但在实际运行过程中,管道泵的肘形进口结构引发了多种复杂的流动现象,增加了水力损失... 详细信息

立式管道泵是一种具有肘形进口结构的单级单吸离心泵,其结构简单、占地面积小、易于安装和维修,广泛用于安装空间受限的场所,如高楼供水、船舶运输等。但在实际运行过程中,管道泵的肘形进口结构引发了多种复杂的流动现象,增加了水力损失,使泵的效率要远低于普通的单级单吸离心泵。另外,管道泵在实际工作中需要具有较宽的运行区域,提高其不同工况下的效率,尤其是非设计工况下的效率,对于节能减排具有重要的意义。目前的优化设计方法,如试验法、试验设计法等,或成本高、优化周期长,或优化精度较低、难以取得全局最优解,因此,研究一种针对离心泵的低成本、高精度的多工况优化方法,拓宽管道泵的高效运行区,具有重要的学术意义和工程价值。同时,对比分析优化模型和原始模型的内部流动,总结优秀的管道泵设计参数,为立式管道泵的正向设计工作提供借鉴,具有很好的工程价值。作者在国家自然科学基金(51879121,51409123)的资助下,基于参数控制改进和种群拓扑结构改进两方面,提出了一种改进的多目标粒子群算法,并基于MATLAB和WorkBench平台搭建了管道泵的自动优化程序,完成了对管道泵的进口弯管和叶轮的多目标优化设计工作。本文主要研究内容和创新点有:1.总结了目前国内外主流的离心泵水力优化设计方法和多目标优化理论,对比分析了不同方法的优势与劣势。针对不同的优化问题,根据其需求的精度选择合适的优化设计方法能够有效地提升优化设计效率,减少优化设计成本。2.介绍了多目标粒子群算法的基本原理和数学模型,总结归纳了粒子群算法的改进策略。基于参数控制改进和种群拓扑结构改进两方面,创新地提出了一种基于粒子分类策略的改进多目标粒子群算法。其特点在于根据目标优化问题选择合适的种群数,在优化过程中可根据粒子的位置特性对粒子进行分组,并选择不同的速度更新策略和位置更新策略。采用两组经典的多目标优化问题对改进的多目标粒子群算法进行了测试,并与目前泵多目标优化设计常用的NSGA-II算法进行了对比。结果显示,改进的多目标粒子群算法具有更好的收敛速度和收敛精度,同时面对不同的多目标优化问题,也具有更好的求解稳定性。3.基于URANS的方法,对管道泵肘形进口弯管进行了流动分析,并采用外特性试验的方式验证了模拟结果的可靠性。结果表明,在设计流量和大流量工况下,进口弯管的第一弯道末端发生了流动分离,分离区域沿着管道的下侧壁面向出口处延伸,并且内部发生了复杂的二次流现象,严重影响了进口管流动的均匀性,对泵的性能造成了很大影响;在小流量工况下,在进口弯管出口的外侧发生严重的回流现象,并在弯管上侧壁面形成了很大的回流漩涡,堵塞流道,加剧了进水弯管内部的水力损失,同时,回流现象也导致了出口截面外侧的流速明显提升,易引发空化,影响泵的稳定运行。4.首次提出一种基于改进多目标粒子群算法和人工神经网络模型的管道泵进口弯管多目标优化设计方法。优化过程以进口弯管的11个设计变量为优化变量,管道泵在小流量、设计流量和大流量工况下的效率作为优化目标。具体地,基于MATLAB Code和WorkBench平台建立了管道泵进水弯管的自动化建模、网格划分、数值模拟的程序;采用拉丁超立方抽样方法在决策空间内选取了150组样本数据,通过上述程序计算得到样本的外特性参数;随后,使用双层前馈性人工神经网络拟合样本数据的设计参数和目标函数值,最后,采用本文改进的多目标粒子群算法对得到的人工神经网络模型进行全局寻优。研究发现,在大流量工况下,进口管的形状对立式管道泵的性能影响不大,而在设计流量和小流量条件下影响较大。在多目标优化的最优设计方案中,设计流量下的效率随小流量下效率的提高而逐渐下降。其中,小流量、设计流量和大流量工况下效率的最大增幅分别为4.96%、2.45%和0.79%,管道泵内部的流动状态得到了有效改善。5.首次提出一种基于改进多目标粒子群算法的管道泵进口弯管和叶轮的多目标双部件组合优化方法。基于MATLAB Code和WorkBench平台建立了管道泵双部件的自动化直接优化程序,优化过程以两个部件的40个设计变量(其中进口弯管11个,叶轮29个)作为优化变量,管道泵在小流量和设计流量工况下的效率作为优化目标。优化后,小流量和设计流量工况下的效率最大增幅分别为8.61%和7.95%。研究发现,小流量工况下性能较好设计的进口弯管的横向长度更长;设计流量下性能较好的设计一般具有横向长度较短的进口弯管和出口安放角较小的叶轮;多叶片的设计方案(叶片数大于6)的综合性能较好;横向长度更长且弯道曲率较小的进口弯管能够有效改善小流量工况下管道泵的回流漩涡现象,降低进口弯管内部的流动损失,提高叶轮入流的均匀度。

关键词：立式管道泵多目标优化多目标粒子群算法自动优化数值模拟内流分析

立式管道泵进水弯管和叶轮的参数化分析与验证

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农业工程学报 2020年第17期36卷 54-63,F0003页

作者：司乔瑞唐亚静甘星城李浩杨松江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心镇江212013 中国农业科学院农田灌溉研究所河南省节水农业重点实验室新乡453003 中国核动力研究设计院成都610213

管道泵的肘形弯曲进口结构影响了叶轮的入流,导致管道泵内部流动特性复杂,整体性能下降。为了探究管道泵不同设计参数对内部流动的影响,该研究基于三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,结合剪切应力传输模型对管道泵入流畸变特性展开... 详细信息

管道泵的肘形弯曲进口结构影响了叶轮的入流,导致管道泵内部流动特性复杂,整体性能下降。为了探究管道泵不同设计参数对内部流动的影响,该研究基于三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,结合剪切应力传输模型对管道泵入流畸变特性展开了数值模拟,并进行了试验验证。同时,选取了进水弯管和叶轮的40个设计参数,使用拉丁超立方设计方法创建了300组设计样本,通过Pearson相关性分析,数值研究了进水弯管和叶轮的设计参数对管道泵效率、扬程及入流不均匀度的影响。结果表明:数值计算结果与试验结果的吻合良好,模拟方法具有较好的预测精度;进口流道内发现了伴有二次流涡对的流动分离区,且其内部流动分布不对称,在设计流量和小流量工况下,进口流道内部流动分别以反向涡对和回流旋涡为主;管道泵的性能与叶片安放角及叶片数显著相关。研究表明具有40°~50°进口安放角、20°~40°出口安放角及较大进水弯管长度的管道泵具有更好的性能和稳定性,此区间内的样本相较于原始模型效率平均提高了5%。研究结果可为管道泵的设计优化提供参考。

关键词：泵数值模拟模型入流畸变参数化分析进水弯管

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基于人工神经网络的管道泵进水流道性能优化

农业机械学报 2018年第9期49卷 130-137页

作者：裴吉甘星城王文杰袁寿其唐亚静江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心镇江212013

立式管道泵是一种具有进口弯管的单级单吸离心泵,常被应用于安装空间受限的地方。由于进口的特殊结构,该泵不可避免地产生了一定程度的能量损失,从而降低了整体的效率。为了提高管道泵的性能,基于人工神经网络进行了肘形进水流道的优化... 详细信息

立式管道泵是一种具有进口弯管的单级单吸离心泵,常被应用于安装空间受限的地方。由于进口的特殊结构,该泵不可避免地产生了一定程度的能量损失,从而降低了整体的效率。为了提高管道泵的性能,基于人工神经网络进行了肘形进水流道的优化研究。进水流道的形状可由流道中线和各截面的形状控制,选择五阶贝塞尔曲线拟合流道中线,三阶贝塞尔曲线拟合截面控制参数沿流道中线的变化趋势。考虑到泵实际安装需求,选取进水流道的11个参数为优化变量,泵效率为优化目标。采用拉丁方试验设计方法设计了149个进水流道方案,应用人工神经网络建立了泵效率与11个设计变量间的高精度非线性数学表达式,采用粒子群算法对数学表达式进行了优化,得到了肘形进水流道的最优参数组合。研究结果表明:计算结果与试验结果在小流量和设计流量下呈现出很好的一致性;人工神经网络(ANN)能够准确反映泵效率和设计变量之间的关系,优化后预测值与计算值之间的偏差为0.32%;优化后的模型相对于原始模型效率提高了1.17个百分点,扬程提高了0.23 m,高效运行区得到拓宽;相比于原始进口管,优化后进口管内流动得到改善。

关键词：管道泵进水弯管自动优化人工神经网络粒子群算法

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基于粒子群算法的带导叶离心泵性能优化

哈尔滨工程大学学报 2021年

作者：裴吉曹健王文杰袁寿其甘星城江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心

为了提高带导叶离心泵运行效率和解决泵性能优化过程中优化目标与设计变量间强非线性问题，提出了一种基于粒子群算法的带导叶离心泵叶轮多参数自动优化方法。基于Workbench平台，建立了叶轮自动造型、结构网格划分和泵性能计算的数值... 详细信息

为了提高带导叶离心泵运行效率和解决泵性能优化过程中优化目标与设计变量间强非线性问题，提出了一种基于粒子群算法的带导叶离心泵叶轮多参数自动优化方法。基于Workbench平台，建立了叶轮自动造型、结构网格划分和泵性能计算的数值模拟流程。定义设计工况泵效率为优化目标，以扬程为约束条件，定义Bézier曲线控制的叶片型线（叶片安放角、叶片进口边位置和叶片厚度）为优化变量。运用Matlab软件调用粒子群优化算法和Workbench软件，通过Workbench平台计算粒子群算法中每个粒子（叶轮方案）的适应值（效率），进而不断迭代更新粒子。在粒子群算法搜索初期泵效率为74.91%，优化后期泵效率为78.50%，比原始方案的效率高2.1%，扬程为72.5m，仍满足设计要求。对比分析优化过程中的叶轮内部速度流线，发现流场得到改善。提出的泵性能优化方法为其他泵的性能改善提供了一定的参考价值。

关键词：粒子群算法带导叶离心泵自动优化数值模拟

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管道泵作透平飞逸过渡过程内流特性分析

水动力学研究与进展（A辑） 2021年第6期36卷 830-834页

作者：张晨滢裴吉袁寿其王文杰甘星城江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013

相比与常规离心泵作透平,管道泵作透平时,尾水管采用了特殊的肘型弯管结构,使得内部流动产生畸变流。尤其在发生飞逸过渡过程时,因转速从额定转速迅速增大至飞逸转速,将产生巨大的离心力,造成危险的飞逸工况。为探究管道泵作透平时飞逸... 详细信息

相比与常规离心泵作透平,管道泵作透平时,尾水管采用了特殊的肘型弯管结构,使得内部流动产生畸变流。尤其在发生飞逸过渡过程时,因转速从额定转速迅速增大至飞逸转速,将产生巨大的离心力,造成危险的飞逸工况。为探究管道泵作透平时飞逸过渡过程中内部流动特性,应用了Fortran语言对CFX进行二次开发,基于RANS方程和SST k-ω模型,利用开发后的CFX软件对管道泵作透平进行了飞逸过渡过程的数值模拟,预测了管道泵作透平飞逸过渡过程中的转速、流量和扭矩变化。并结合涡量分布和Q准则方法,对管道泵作透平飞逸过度过程旋涡分布进行了研究。研究结果表明:具有特殊结构管道泵在透平工况飞逸过渡过程中最终达到的飞逸转速Nfea并不是固定不变的,而是在平均飞逸转速线上下波动,其中平均飞逸转速值Nave=3584 rev/min,为额定工况的1.23倍;流量Q先增大,后减小在Q_(ave)=14.7 kg/s上下波动;扭矩T一直下降至零,并在零线上下发生震荡;研究表明旋涡主要发生在工作面及尾缘部分。该研究揭示了管道泵作透平时飞逸过渡过程的内流特性,为管道泵的安全稳定运行提供了参考。

关键词：管道泵飞逸工况数值模拟内流分析涡结构

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立式管道泵断电过渡过程内流特性分析

排灌机械工程学报 2021年第10期39卷 1001-1007页

作者：张晨滢裴吉袁寿其王文杰甘星城邓起凡赵建涛张本营江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心江苏镇江212013 山东双轮股份有限公司山东威海264200

为探究立式管道泵断电过渡过程中内部不稳定流动特性,采用数值模拟的方法,结合Fortran语言编程对CFX进行二次开发,利用角动量微分方程预测了转速变化规律,分析了管道泵断电过渡过程中流量、转速等参数及内流场的变化规律.研究结果表明:... 详细信息

为探究立式管道泵断电过渡过程中内部不稳定流动特性,采用数值模拟的方法,结合Fortran语言编程对CFX进行二次开发,利用角动量微分方程预测了转速变化规律,分析了管道泵断电过渡过程中流量、转速等参数及内流场的变化规律.研究结果表明:断电后转速从正向转速逐渐减小变换为反向转速并增大达到飞逸转速(nmax=1.206n0);转速与流量之间存在延迟,前者比后者延迟1.24 s到达零点;压力脉动幅值在飞逸阶段达到最高值;过渡过程初期在进口肘型弯管叶轮流道及蜗壳内产生多个旋涡,中期旋涡逐渐消失,内部流态趋于平稳,后期在第2弯管内侧和叶轮进口边出现小旋涡.研究揭示了管道泵断电停机过渡过程中的内流瞬态特性,为管道泵停机过程的安全运行提供了理论基础.

关键词：立式管道泵数值模拟突发断电过渡过程内流分析

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微博城市符号传播建构:以皖南三城为例

新闻研究导刊 2024年第5期15卷 23-25页

作者：沈孟湄刘昭忠甘星月池州学院文学与传媒学院安徽池州247000 肇庆学院计算机科学与软件学院广东肇庆526061 徽商银行安徽滁州239400

新媒体时代,微博已成为城市的主要传播渠道。城市微博通过符号表征,将被表述的城市“推出在场”,线上展示城市形象和传播城市文化,借以缔造城市的知名度与美誉度。文章从符号传播视域探讨皖南三个地级市池州、黄山与宣城的城市微博符号... 详细信息

新媒体时代,微博已成为城市的主要传播渠道。城市微博通过符号表征,将被表述的城市“推出在场”,线上展示城市形象和传播城市文化,借以缔造城市的知名度与美誉度。文章从符号传播视域探讨皖南三个地级市池州、黄山与宣城的城市微博符号化表现,以文字探勘工具爬取城市微博关键词数据,并进行符号文本分析,提取皖南三城微博热词的城市符号特征,以及所传达的城市形象。研究显示,池州市、黄山市均拥有热门的个别城市符号,能够凸显城市形象,宣城市则缺乏具有传播力的城市符号;微博三城“旅游”类的帖文受关注度很高,并且对于“文化名城”“文明城市”也有一定的关注度,显示皖南三城可以强化文旅符号,采用“城市+文化名城”“城市+文明城市”作为城市符号,进行城市传播。研究还发现,地级市政府作为城市传播的主导者,应优化城市符号传播的顶层设计,对符号传播进行引导,依据个别城市的符号特征,辨识、指认与筛选城市符号,罗列出城市符号内容,提供官方和民间话语体系参照使用,形成地方政府、城市媒体和社交媒体平台用户符号共同体,聚焦城市特征,发挥符号片面化与放大化作用。城市微博符号依托传统地域文化,通过符号化过程加以独创重组,可赋予城市创新的符号价值。

关键词：符号传播皖南微博城市符号传播力

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管道泵作透平飞逸过渡过程内流特性分析

管道泵作透平飞逸过渡过程内流特性分析