考虑稳定性控制和流固耦合效应的混流式转轮优化设计方法研究

Increasing control measures of turbine's hydraulic stability and considering the hydraulic and strength performance of a runner are the development trend of a runner optimal design.Francis turbine's runners are taken as the object of this research. Based on large eddy simulation, the relationship among runner design variables and hydraulic stability will be studied. The binding principles about optimal design variables will be presented, which can effectivly avoid or inhibit the unstability in hydro turbines. The relationship among runner design variables and energy property, cavitation property, and the strength property will be studied based on the simulation method of fluid-structure interaction (FSI) and the global sensitivity analysis method. According to the research results, the uncoupling method in different operation points and the solving strategy of runner's hydraulic and strength performance will be built in the process of parallel optimal design method of the runner. And the solving strategy about hydraulic performance and strength performance will be presented. The multi-point performance evaluation model is set up according to the functional analysis. Based on the solving strategy and multi-point performance evaluation model which have been built, combined particle swarm optimization (PSO) method and binding principles about optimal design variables, the parallel optimization system about Francis turbine's hydraulic and strength performance will be set up. This research can provide theoretical foundation and practical guidance for improving turbine's hydraulic, strength and stability performance.

增加对水力稳定性的控制措施以及兼顾叶片的流场、强度性能是转轮优化设计发展的趋势。本研究以混流式转轮为对象，通过大涡模拟湍流模型研究转轮几何特征与水轮机水力不稳定源之间的联系规律，并提出有效避免或抑制水轮机运行不稳定源的优化设计变量约束原则；采用流固耦合数值计算以及全局灵敏度分析方法，研究揭示转轮设计变量与不同运行工况下考虑流固耦合效应所得到的水轮机能量、空化以及强度性能参数之间的关系，根据研究结果，在转轮流场、强度并行优化设计过程中，提出针对不同运行工况的流固耦合解耦方法，并建立相应的转轮流场、强度性能求解策略；以建立的求解策略为基础，引入泛函距离空间的概念建立转轮多工况性能评价模型，并结合多目标粒子群优化算法和抑制水力不稳定源的设计变量约束原则，最终建立能兼顾不同工况性能的混流式转轮流场、强度并行优化设计系统。该研究将为水轮机水力、强度及稳定性性能的提高提供理论基础和实践指导。

为消除传统混流式转轮优化设计方法中设计周期长、各学科之间信息传递滞后及难以保证获得整体性能最优解的弊端，本项目以建立混流式转轮多学科优化设计框架为立足点，对转轮优化设计过程中的关键技术开展了深入研究。综合全三维反问题设计方法与曲线参数化技术，形成了混流式转轮叶片的参数化全三维反问题设计模型，并通过该设计模型实现了叶片三维几何形状的参数化设计。对混流式水轮机转轮叶片的流固耦合求解策略开展了对比分析，通过对比分离式流固耦合计算法中单向与双向耦合求解策略的计算差异及时间成本，选择采用单向耦合求解策略作为后续多学科优化计算中叶片固体力学性能的分析方法。建立了完整的混流式转轮多学科优化问题数学模型，并通过分析简化优化问题中的学科耦合系统，确立了优化设计过程中样本个体的多学科性能分析流程，同时，为获得准确的优化设计变量全局灵敏度信息，将最优拉丁超立方抽样技术与莫里斯OAT法相结合，以此为基础开展各优化设计变量的全局灵敏度分析，该方法使得设计变量的全局灵敏度计算更为准确、简洁。对转轮多学科优化问题中的强弱耦合变量概念进行阐述，引入模糊数学中隶属度函数的概念，制定了设计变量耦合强弱程度的判定准则。根据所制定的判定准则及各设计变量的隶属度函数值对优化设计变量开展了耦合强弱程度分类，并根据设计变量的耦合程度属性，最终选择采用多学科可行性优化方法为核心的优化求解策略作为混流式转轮多学科优化的求解策略。依据数据降维理论，引入距离空间的概念，提出一种嵌入设计者偏好的多工况优化设计方法，实现了转轮多工况优化问题的有效求解。综合混流式转轮的参数化全三维反问题设计模型、多学科性能分析过程以及多工况优化设计方法，最终建立混流式转轮多学科优化设计系统。优化实例表明，所建立的混流式转轮多学科优化设计方法是是有效可行的，对提升混流式转轮设计水平具有一定的科学价值。