自旋双喷嘴集成优化数值仿真

2009年 10月 第 37卷 第 10期 机床与液压 MACH INE TOOL& HYDRAUL ICS Oct12009 Vol137 No110 DOI: 10. 3969 / j1 issn11001- 3881120091101070 收稿日期: 2008- 09- 16 作者简介: 黄国勤 ( 1976) ), 男, 湖北武汉人, 博士研究生, 主要从事水压传动技术和水液压元件与系统等相关方面的基 础和应用研究。电话: 027- 87556055, 13797071771。E- m ai:l hg tree@ 1631com。 自旋双喷嘴集成优化数值仿真 黄国勤, 凌轩, 朱玉泉 (华中科技大学机械科学与工程学院液压气动研究中心, 湖北武汉 430074) 摘要: 传统的 CFD软件不是专门为优化而 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的, 其优化功能比较弱。针对这一问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 采用改进的基于遗传算法的集 成 CFD优化 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 , 对自旋双喷嘴的设计进行了优化。结果表明: 集成 Gam bit参数化建模、自动划分网格接口和 F luent运算 器接口的方法, 大大节省了设计时间和费用, 喷嘴的清洗能力和流场性能有了较大的提高。 关键词: 自旋双喷嘴; 集成优化; 仿真 中图分类号: TH137 文献标识码: A 文章编号: 1001- 3881 ( 2009) 10- 222- 3 Numerical S imulation of Integrated Optim ization for Self-rotation Double-nozzle HUANG Guoqin, LING Xuan, ZHU Yuquan ( Schoo l ofM echan ica l Science and Eng ineering, Huazhong Un iversity of Science and Techno logy, W uhanHubei 430074, Ch ina) Abstrac t: The trad itional CFD softw are is not designed for optim ization techn iques and it is w eak in th is func tion. An approach w as presen ted to design the param ete rs o f the se l-f rotation doub le-no zzle by integ rated CFD optim iza tion based on genetic a lgo rithm. The result shows them ethod that integates interface of Gamb it and F luent can save lots o f tim e and co st. The capacity o fw ash ing and flow capab ility are improved rem arkably. K eywords: Se l-f rotation double-nozzle; Integrated optim ization; S imu lation 随着计算技术和软件技术的飞速发展, 集成 CFD 分析软件对产品进行优化设计已经取得了很大得进 步。在传统的 CFD产品前期设计中, 一般先对产品 进行初始化建模, 运行 CFD仿真程序, 分析设计结 果, 再改变设计参数, 运行仿真程序, 再分析设计结 果, 如此不断循环反复, 最后找出一组最佳参数, 使 得产品的性能等指标达到最优。这种不断重复建立模 型、运行仿真程序、分析结果的过程不仅浪费了大量 的时间, 而且在有多个设计变量的情况下工作量非常 大, 有时甚至是不可行的。另一方面, 传统的 CFD 软件一般优化功能比较弱, 而且从商业保密的角度考 虑很少公开源代码, 这使得用户要加入自己的优化算 法非常困难。为了克服以上不足, 近年来提出了 CFD 集成优化算法。算法的核心是把 CFD建模和运算工 具看成一个黑匣子, 只利用它们的设计参数和输出结 果而不关心它们是怎样运算的, 然后可加入自己的优 化算法自动得到想要的结果。 作者以自旋双喷嘴优化设计为例, 对 CFD集成优 化的方法做了细致的分析, 最后给出了优化结果。 自旋双喷嘴的旋转速度、喷嘴直径、喷嘴长度、 偏转角、工作压力、射流流量等主要参数对最佳清洗 力和喷管射流的流场都有影响。所以有必要找到一组 最佳参数以提高喷管效率, 获得最佳打击力, 提高清 洗能力。 自旋双喷嘴集成优化设计过程可分为参数化建 模、几何集成自动划分网格、非结构 CFD运算仿真、 集成优化设计 4个步骤, 详细步骤见下面章节。实例 中参数化建模和自动划分网格由专用前处理软件包 Gamb it完成。Gambit主要功能包括构造几何模型、 划分网格和指定边界 3个方面。它提供结构网格、非 结构网格和混合网格等多种类型的网格, 并最终生成 包含有边界信息的网格文件。选择 F luent作为 CFD 运算仿真的求解器, 因为它具有很强的求解非结构自 适应网格能力。最后, 通过命令行方式调用 Gam bit 和 F luent提供的接口, 对它们进行集成优化。优化算 法可根据不同问题的要求选用不同的优化算法。由于 遗传算法 GA具有很强的非线性搜索能力, 这里选用 遗传算法作为实例的优化算法。本例取 Gamb it的输 入和 F luent的输出作为输入变量和输出变量, 在一定 范围内不断改变变量值自动进行优化运算最终得到优 化结果。 1 物理建模及流场分析 111 物理模型及网格划分 自旋双喷嘴的选用圆锥收敛喷嘴。物理模型及网 格划分如图 1所示。其初始设计的主要结构参数: 水 流进口直径为 10mm, 压力为 40MPa, 旋转速度为 400r/m in, 喷嘴和喷杆之间的夹角为 45b, 喷口出口直 径为 112mm, 喷嘴长度是 5mm, 喷嘴内腔锥角 15b。 图 1 双喷嘴网格模型 物理建模、网格划分及边界条件的设定在 F luent 的前处理器 Gambit中完成。入口设置为压力入口, 出口设置为压力出口。 高质量的网格划分是提高数值模拟精度的关键。 一般要求流场中的网格要保持一定的正交性 (尽可 能达到 90b)。由于模型的外形有些复杂, 这里把模 型划分为 3块, 分别对各个模型区域进行网格划分。 在 Gamb it里检查网格质量。从检测结果可以看出, 在 0~ 012之间的网格占了 95% , 入口处的网格精度 也不错, 能够保证求解能很快收敛。 112 CFD计算 计算采用二阶迎风差分格式, 基于微元中心有限 体积法离散连续相控制方程, 通过 SIMPLE算法求解 压力速度耦合, 湍流模型采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 k-e模型。收敛判 据为流场迭代的残差 R [ 10- 5。 113 计算流场设置自动化 在流体的数值模拟计算中需要设置较为复杂繁琐 的边界条件和其他设置, 手动设置步骤繁琐, 工作量 大, 重复劳动多, 效率低。作者应用 Gambit和 F luent 自带的 Journal文件以及 Comm and自动导入网格文 件, 设置边界条件及约束以及计算步数, 可以大大减 少设置时间, 增加效率。 应用 Gamb it的命令行功能, 如图 2所示, 可对 自旋双喷嘴进行参数化建模和边界设置, 最后输出 m sh网格文件。 应用 F luent提供的 Command和 T ranscript功能, 如图 3所示, 对边界条件、湍流模型残差等参数进行 设置, 最后输出包含喷嘴打击力和流量损失的 T ransout文件。 2 集成优化 211 标函数和约束条件 自旋双喷嘴射流清洗主要技术参数有压力、流 量、功率、喷射直径及喷管的流场形状等。一般来说 压力越大, 直径越大, 喷管的打击力就越大, 清洗的 效果就越好。但这还有一个功率匹配的问题, 喷嘴直 径越大, 所需的流量也越大, 功率也越大。结合课题 的实际, 这里把喷嘴直径、喷嘴长度、喷嘴内锥角作 为设计变量。喷嘴直径取 1 ~ 2mm, 喷嘴长度 4 ~ 6mm, 喷嘴内锥角 13b~ 15b之间。 目标函数综合考虑了流量损失和射流打击力的关 系, 权衡它们之间的关系。 212 改进的 CFD集成优化算法 图 4 CFD集成优化过程 CFD集成优化过 程如图 4所示。这里 采用了遗传算法 GA 和序列二次规划 SQP 相结合的优化方法。 遗传算法可以在计算 的初始阶段扩大搜索 空间, 不会导致计算 陷入局部最优的困境; 然后用数值算法序列 二次规划法, 可加快 收敛速度求出最优解。 由于无论是何种遗传 算法, 每代都会遇到 相同的个体。而且一 般 CFD 运算 时间较 长, 如何对遗传算法 控制, 加快收敛速度缩短计算时间是一个值得考虑的 问题。这里采用的方法对每个设计变量都进行判断, 如果某一个设计变量的两个解的绝对差大于一个小 量, 如 10- 2, 认为两者不相等; 反之, 每个绝对差 小于 10- 2, 则认为相同或非常接近, 就从数据库直 接给出计算结果。实践证明, 采用此方法后, 可大大 加快收敛速度。 3 集成优化结果 给定射流压力, 对自旋双喷嘴半径、喷嘴长度、 内锥角进行优化, 优化结果如图 5) 8所示。 图 5、 6分别是在其他参数不变的情况下, 喷嘴 半径和射流速度和打击力的关系。可以看出喷嘴半径 越大, 射流速度越小, 而打击力就越大。图 7是在其 #223#第 10期 黄国勤 等: 自旋双喷嘴集成优化数值仿真 他参数不变的情况下, 喷嘴长度和打击力的关系。 从图可以看出, 喷嘴长度对打击力的影响不大, 趋势 是喷嘴长度越长, 打击力有缓慢下降趋势。图 8是以 喷嘴半径、喷嘴长度、内锥角为设计变量条件下, 运 行次数和射流打击力关系历史曲线。由于采用了加快 收敛速度的算法, 这里程序只运行了 26次就已经收 敛, 得到最佳打击力约为 193N。 通过对喷嘴内锥角、直径、长度等参数进行总体 优化, 提高了它的清洗能力, 如表 1所示, 并且流场 的性能也得到了改善。 表 1 喷嘴优化前后性能参数比较 直径 /mm长度 /mm内锥角 / ( b) 打击力 /N流量损失 优化前 11 2 5 14 8513 - 01064 5 优化后 2 4 13 1931 8 - 01 0617 4 结论 作者以自旋双喷嘴为例, 采用基于遗传算法的集 成 CFD优化方法, 对双喷嘴进行了优化设计。从仿 真结果可以看出, 喷嘴的清洗能力和流场特性都有了 很大的提高。集成优化算法对于产品优化设计是一个 强有力的工具。优化过程是通过集成 Gamb it参数化 建模、自动划分网格接口和 F luent运算器接口的方法 实现的。这种集成 CFD软件优化方法大大节省了设 计时间和效率, 也可用于集成其他 CAD应用软件最 终用在多学科优化设计中, 有非常广阔的应用前景。 参考文献: =1> Rahm anM M, RahmanM K. An integ rated m ode l fo rm u-l tiobjectiv e design optim iza tion of hydrau lic fracturing [ J]. Jou rnal o f Pe tro leum Sc ience and Eng inee ring, 2001, 31 ( 1): 41- 62. =2> A raujo A, L im a J L F C. An integrated design strategy for flow injection ana ly sis based on the coup ling of m athem at-i ca l m odelling and optim ization algor ithm s [ J]. Ana ly tica Chim icaA cta, 1995, 310( 2): 289- 296. = 3> G ruhn Patrick, H enckels Andress. F lap contour optim iza tion for high ly integ ra ted SERN nozzles [ J]. Aerospace Sc ience and Technology, 2000, 4( 8): 555- 565. =4>薛胜雄 ,等.高压水射流技术与应用 [ M ]. 北京: 机械工 业出版社, 1998. =5> 李根生,沈忠厚, 等. 自动旋转喷嘴的理论研究 [ J]. 石 油学报, 1995: 185- 189. (上接第 174页 ) 间的夹角变化, 步进频率在每条线段上存在加速和减 速过程。 表 1 直线段的加工控制信息 x, y, z 索引 加速脉冲数 减速脉冲数 - 540, 640, 50 0 324 316 400, 950, 30 8 474 476 1 430, 130, 40 6 716 704 530, - 600, - 70 8 297 303 - 370, - 690, 80 2 344 346 - 680, 370, 30 0 340 340 - 280, - 400, 20 0 201 199 670, - 700, - 50 2 349 351 - 1 010, - 680, 40 0 505 505 - 150, 980, 30 0 490 490 5 结束语 根据步进电机的转矩 -频率特性, 设计了基于 USB总线通信的三维雕刻机控制系统, 使得雕刻机完 成各种工件加工, 电机的升降速过程快速而且平稳。 实践表明, 该控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 可完成加工数据的分析和计 算, 并通过插补算法控制电机完成雕刻, 实现步进电 机速度控制和加工轨迹控制。 参考文献: =1> 丁亮,尤波, 于振中, 等.基于 USB-DSP的开放式运动控 制器开发 [ J]. 电机与控制学报, 2006, 10 ( 3): 278 - 282. =2> 孙如军.数控车床智能控制系统的研究 [ J] . 机床与液 压, 2008, 36( 3): 77- 79. =3> 肖随贵, 曾惠芳. 基于 PC I总线的机床多轴运动控制器 研究与设计 [ J]. 机床与液压, 2004( 4) : 49- 51. =4> 彭芳瑜,李黎, 陈徐兵, 等. 连续小直线段高速高精插补 中的动力学约束条件 [ J]. 计算机辅助设计与图形学学 报, 2006, 18( 12): 1812- 1816. =5> 范超毅, 范巍. 步进电机的选型与计算 [ J]. 机床与液 压, 2008, 36( 5): 311- 313. = 6>刘艳霞, 桑兆辉.基于 ARM芯片 S3C4510的步进电机加 减速控制 [ J] .机床与液压, 2007, 25( 7): 180- 181. =7> 付云中,王永章, 富宏亚,等. 多轴联动线性插补及 / S加 减速0规划算法 [ J]. 制造技术与机床, 2001( 9): 9- 11. =8> 王玉琳,王强. 步进电机的速度调节方法 [ J]. 电机与控 制应用, 2006, 33( 1): 53- 56. #224# 机床与液压 第 37卷