一直以来，叶轮机械的设计质量和周期严重依赖设计人员的经验和物理试验，设计周期长，设计成本高，建立一种快速、简便、有效且可复制推广的优化设计方法是产品研发企业亟需的研发手段。现阶段而言，CFD作为一种强大而有效的工具，已经广泛地应用于叶轮机械的内部流动研究中。然而，要建立完善的优化设计体系，如何将叶轮机械的参数化设计、数值分析和优化算法有效结合并应用，则是设计人员犯难的地方。
以离心泵为例，模型的几何可以用一系列的参数进行替代，如叶片角、叶片数、轴面图尺寸、包角等等，这些参数被称为设计变量。优化设计系统，就是利用优化算法找出最合理的参数组合。如何找到一组最合适的设计变量，在允许的范围内，能使所设计的产品结构最合理、性能最优，同时研发周期又不要太长，这是叶轮机械优化设计所要解决的问题。本文将优化算法与叶轮机械设计和CFD流场计算相结合，由数学过程代替设计人员的经验，控制叶轮机械的设计改进方向，构建了叶轮机械的自动优化设计系统，下面就随小编来了解具体细节吧。
如前文所述，搭建叶轮机械的自动优化设计系统，需要满足叶轮机械的参数化设计、CFD分析和数值优化计算三个方面的要求。目前，满足这三方面要求的工具软件较多，然而搭建自动优化的设计循环系统还比较少，主要原因在于各个软件之间的数据传递和集成需要进行一定量的二次开发。海基科技长期致力于CAE软件的代理和技术研发，因而在软件的集成应用方面积累了大量的经验。目前经海基和客户共同开发并应用的叶轮机械优化设计系统有：
CFturbo&Simerics-MP&OAsis
CFturbo&Simerics-MP&Isight
CFturbo&Simerics-MP&optiSLang
CFturbo&TurboGrid&ICEM-CFD&optiSLang
从优化系统的建模效率和优化计算效率来区分，以CFturbo&Simerics-MP&OAsis优化设计系统最为简便快速，该优化设计系统包括了：
叶轮机械参数化设计：CFturbo
CFD数值分析：PumpLinx/Simerics-MP
单目标或多目标优化设计：OAsis
下面先随小编来大致了解一下这三款软件产品的功能特点吧。
专业叶轮机械参数化设计软件CFturbo
CFturbo是德国CFturbo公司研发的专业叶轮机械参数化设计软件，该软件结合了成熟的旋转机械理论与丰富的实践经验，基于设计理论与经验函数开展设计，通过输入叶轮机械的设计点参数要求，即可根据软件的设计函数和功能快速获得较为合理的初步设计方案。难能可贵的是，CFturbo针对不同的叶轮机械（如泵、风机、压缩机、涡轮等）、不同的比转速范围（离心、混流和轴流等）和某些特殊的产品（如排污泵、多翼式风机、诱导轮等）均有各自对应的经验函数指导设计，并提供性能预估功能指导设计。设计人员获得合理的初步设计方案后，即可通过一键式操作启动PumpLinx进行流场分析计算，并可输出命令行格式进行优化集成。
CFturbo输入及输出
专业叶轮机械仿真软件PumpLinx/Simerics-MP
Simerics-MP的前身即为PumpLinx软件，其在叶轮机械的流体分析方面具备较多的应用优势，包括基于二叉树算法的笛卡尔网格技术、间隙模板网格技术、全空化模型、快速计算及收敛、结果精确等，非常适用于叶轮机械的流场分析，且由于Simerics-MP与CFturbo之间的无缝集成功能，所以使用者既无需花费时间精力做软件集成，同时又可快速获得叶轮机械的流场分析结果，非常适用于工程问题的解决和应用。
PumpLinx/Simerics-MP流场快速建模及分析
优化集成软件
传统的优化设计往往需要经历：定义目标，简化模型，选择算法，参数调整，优化搜寻，结果解读等步骤，往往对于设计人员的知识储备要求较高，对于缺乏优化算法和应用经验的设计人员而言，对于模型的简化、优化算法的选择、关键参数的设置、 优化搜寻和结果分析方面或多或少存在一些问题。
本文选择的优化设计软件为恩能运筹（中国）即EMPOWER OPERATIONS公司研发的OAsis优化设计软件。该软件是面向工程的智能优化设计软件，可协助用户自动设计寻优，快速进行决策分析，对于大变量问题、多目标优化和强约束问题均有很强的适应性。其主要的技术特征如下：
OAsis优化设计功能特点
为更好的了解该优化设计系统的功能特点，以离心泵优化设计为例，详细剖析基于CFturbo&Simerics-MP&OAsis系统的优化设计流程。
叶轮机械优化设计系统建立三要素
设计点参数：
流量：60m³/h、扬程：50m、转速：2900RPM、介质：20℃清水
优化目标：设计点水力效率最高
约束条件：叶轮直径≤0.22m，扬程≥50m
优化参数：
叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、叶轮轴向高度、叶轮前/后盖板型线、叶片数、叶片出口安放角、叶片包角
优化系统支撑软件：
CFturbo&Simerics-MP &OAsis
优化时间：共计100个样品，耗时13h。
初始设计：由CFturbo设计获得初始设计方案，并在CFturbo内一键式启动Simerics-MP的流体分析进程，并以命令行格式输出，集成至优化设计软件OAsis。
优化结果：
优化结果分析：
从离心泵的外特性曲线的数值分析结果来看，在满足扬程以及模型尺寸的约束下，经过100次迭代，额定点效率提高到87.5%，相比初始方案提高了约5%；以更少的迭代数获得更好的优化结果，合适的优化算法往往能达到事半功倍的效果。
从内特性分析，优化后的模型流动明显改善，叶轮内的流动更加顺畅，蜗壳部分的回流消失。
预知详细操作流程，可点击文末原文链接观看视频教程。
鉴于目前市面上主流的CAE软件种类繁多，在搭建叶轮机械的优化设计系统时，也具备更多的选择性。
3.1轴流泵叶轮优化设计- CFturbo&Simerics-MP&optiSLang
基于CFturbo&Simerics-MP&optiSLang优化设计系统
优化结果：
该方案采用两种优化算法进行对比分析：进化算法（EA）及自适应响应面方法（ARSM），通过上表可以发现，两种算法每个样本的分析时间分别为13.1min和14.0min，总的优化设计迭代时间为72.2h和26.3h，最终的水力效率分别提高了5%和4.4%，综上，优化算法不同，最终获得优化方案的时间也会不同，符合优化设计目标的方案也可能存在多个。
3.2离心泵优化设计-CFturbo&Simerics-MP&Isight
基于CFturbo&Simerics-MP&Isight优化设计系统
优化结果分析：
在满足扬程的约束下，经过323次迭代，额定点效率提高到85.21%，提高了1.56%。
离心泵的扬程和效率曲线都在原来基础上有所提高，各工况点，扬程提高了5m以上，效率提高在2%左右。
3.3离心压缩机优化设计- CFturbo&TurboGrid&ICEM&CFX&optiSLang
基于CFturbo&TurboGrid&ICEM&CFX&optiSLang优化设计系统
优化结果分析：
利用该优化系统实现压缩机的自动优化设计，其中蜗壳设计不变，仅对叶轮设计进行优化改进。最终通过近600个样品的计算优化，获得最终优化方案，相较于优化前压缩机压比由3.8提升至4.0，叶轮单机效率提升1个百分点，整机效率提升5个百分点。
产品通过性能以及加工工艺的评估，最终投产使用。
上述各叶轮机械的优化设计系统应用案例说明：
搭建基于设计-仿真-优化的一体化设计系统进行叶轮机械的优化设计是切实可行的，并能有效地改进原有产品的性能，获得理想的设计方案 ；
选择合理的优化设计算法，可以有效节约优化设计的时间，并获得理想的优化设计结果；
选择合适的叶轮机械三维设计工具，可以帮助设计人员快速获得较为合理的初始设计方案，从而更有利于最终优化方案的快速有效获取；
选择合适的流体仿真工具，可以有效地节约CFD模拟的时间。
预知上述优化设计案例的详细信息，可联系海基科技。
海基科技邮箱：info@hikeytech.com
海基科技咨询电话：18021074092
海基科技客服QQ：2378663865
预知基于OAsis叶轮机械优化设计系统的具体建模流程和方法，请点击左下角阅读原文或登录研发埠网站：（http://edu.yanfabu.com/course/1416），免费观看课程案例。
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