本發(fā)明涉及水泵水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地涉及一種基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、水泵水輪機(jī)作為抽水蓄能電站中的核心設(shè)備，其水力性能直接關(guān)系到整個(gè)電站的安全、穩(wěn)定及高效運(yùn)行。近年來(lái)，隨著可再生能源的大力發(fā)展和智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)水泵水輪機(jī)的性能要求日益提高。特別是保證主要通流結(jié)構(gòu)(蝸殼、葉輪及尾水管)在強(qiáng)速度脈動(dòng)、壓力脈動(dòng)下減小損失與穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法在消除或改善這一不穩(wěn)定特性上仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

2、現(xiàn)有水泵水輪機(jī)流場(chǎng)優(yōu)化主要采用正問(wèn)題設(shè)計(jì)思路，即工程師依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)局部通流結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，隨后開展計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果判斷優(yōu)化效果。若效果不佳則需重新設(shè)計(jì)，直至達(dá)到預(yù)期。然而，上述正問(wèn)題優(yōu)化主要有兩個(gè)缺點(diǎn)。首先，優(yōu)化設(shè)計(jì)依賴工程師的已有經(jīng)驗(yàn)，這類試錯(cuò)式的優(yōu)化流程在水泵水輪機(jī)復(fù)雜變工況數(shù)值模擬中需要耗費(fèi)相當(dāng)高的計(jì)算資源，計(jì)算量大且耗時(shí)長(zhǎng)，存在較大的盲目性。其次，現(xiàn)有優(yōu)化多集中于單一物理量(如局部速度脈動(dòng)、壓力脈動(dòng)、空化壓力等)的優(yōu)化，忽視了多物理量之間的相互影響和協(xié)同作用，難以在提升某一性能的同時(shí)保持或提升其他性能，導(dǎo)致整體性能優(yōu)化效果不佳。

3、因此，本領(lǐng)域需要一種新的技術(shù)方案來(lái)解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了改善或解決現(xiàn)有技術(shù)中計(jì)算量大、整體性能優(yōu)化效果不佳的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種以較小的計(jì)算代價(jià)實(shí)現(xiàn)全局范圍內(nèi)的多物理量協(xié)同優(yōu)化的基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法。所述水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法包括：選擇協(xié)同參數(shù)，并確定水泵水輪機(jī)的物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)；構(gòu)建所述協(xié)同參數(shù)取得最優(yōu)協(xié)同時(shí)的方程附加項(xiàng)；將所述方程附加項(xiàng)與所述物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)組合，形成最優(yōu)協(xié)同方程；對(duì)所述最優(yōu)協(xié)同方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到滿足所述協(xié)同參數(shù)最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)流場(chǎng)。

2、本發(fā)明基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法，通過(guò)“協(xié)同參數(shù)選擇-構(gòu)建并求解最優(yōu)協(xié)同方程-獲取最優(yōu)協(xié)同流場(chǎng)”的反問(wèn)題優(yōu)化思路，能夠直接得到優(yōu)化結(jié)果，避免傳統(tǒng)正問(wèn)題優(yōu)化反復(fù)迭代過(guò)程的計(jì)算資源消耗、依賴人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的盲目性等，從而降低優(yōu)化成本，提高優(yōu)化效率。同時(shí)，基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的優(yōu)化思路，能夠?qū)崿F(xiàn)全局范圍內(nèi)的多物理量協(xié)同優(yōu)化，避免傳統(tǒng)針對(duì)單一物理量?jī)?yōu)化導(dǎo)致局部?jī)?yōu)化問(wèn)題，從而提高優(yōu)化效果。

3、進(jìn)一步的，所述選擇協(xié)同參數(shù)，并確定水泵水輪機(jī)的物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)的步驟包括：明確待優(yōu)化的關(guān)鍵物理量，選擇至少兩個(gè)所述關(guān)鍵物理量作為協(xié)同參數(shù)；選擇與所述協(xié)同參數(shù)關(guān)聯(lián)的約束條件，作為水泵水輪機(jī)的物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)。

4、進(jìn)一步的，所述協(xié)同參數(shù)包括流場(chǎng)速度v和壓力梯度所述物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)為流體力學(xué)不可壓縮流動(dòng)navier-stokes方程：

5、

6、其中，ρ是流體密度，v是流場(chǎng)速度，是速度梯度，是壓力梯度，μ是粘性系數(shù)，x為外力矢量，ρx為外力項(xiàng)，δ是拉普拉斯算子。

7、進(jìn)一步的，所述構(gòu)建所述協(xié)同參數(shù)取得最優(yōu)協(xié)同時(shí)的方程附加項(xiàng)的步驟包括：以所述協(xié)同參數(shù)為目標(biāo)變量，所述物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)為約束條件，采用拉格朗日乘數(shù)法構(gòu)建目標(biāo)泛函j：

8、

9、其中，f是拉格朗日函數(shù)，包含目標(biāo)變量a，約束條件b1，b2，...，bn和其導(dǎo)數(shù)b1’，b2’，...，bn’，且二階連續(xù)可微；x、y、z是水泵水輪機(jī)內(nèi)部的三維流場(chǎng)坐標(biāo)；

10、根據(jù)所述目標(biāo)泛函j和完整約束條件φ構(gòu)建輔助泛函j*：

11、φi(a，bi)＝0

12、

13、其中，待定函數(shù)λi是拉格朗日乘子；hi是由拉格朗日函數(shù)f、拉格朗日乘子λi和完整約束條件φ組合而成的表達(dá)式；

14、對(duì)所述輔助泛函j*變分，得到歐拉方程組：

15、

16、

17、

18、基于目標(biāo)泛函j的邊界條件求解所述歐拉方程組，得到所述拉格朗日乘子λi的表達(dá)式，所述拉格朗日乘子λi與所述協(xié)同參數(shù)組成所述最優(yōu)協(xié)同時(shí)的方程附加項(xiàng)。

19、進(jìn)一步的，當(dāng)所述協(xié)同參數(shù)為流場(chǎng)速度v和壓力梯度所述物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)為流體力學(xué)不可壓縮流動(dòng)navier-stokes方程時(shí)，

20、所述目標(biāo)泛函j：

21、

22、所述完整約束條件φ：

23、

24、所述輔助泛函j*：

25、

26、進(jìn)一步的，所述邊界條件包括無(wú)滑移壁面條件和進(jìn)出口流量守恒；

27、所述無(wú)滑移壁面條件：

28、y0＝0，u0＝0；y1＝δ1，u1＝u1

29、其中，y0＝0表示壁面的位置，即距離壁面的距離為零；u0＝0表示在壁面處，流場(chǎng)在y方向上的速度為零；y1＝δ1表示離壁面一定距離的位置；u1＝u1表示在y1＝δ1處，流場(chǎng)的速度為u1；

30、所述進(jìn)出口流量守恒：gin＝gout。

31、進(jìn)一步的，所述最優(yōu)協(xié)同方程：

32、

33、綜上所述，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

34、(1)通過(guò)“協(xié)同參數(shù)選擇-構(gòu)建并求解最優(yōu)協(xié)同方程-獲取最優(yōu)協(xié)同流場(chǎng)”的反問(wèn)題優(yōu)化思路，能夠直接得到優(yōu)化結(jié)果，避免傳統(tǒng)正問(wèn)題優(yōu)化反復(fù)迭代過(guò)程的計(jì)算資源消耗、依賴人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的盲目性等，從而降低優(yōu)化成本，提高優(yōu)化效率；同時(shí)，基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的優(yōu)化思路，能夠?qū)崿F(xiàn)全局范圍內(nèi)的多物理量協(xié)同優(yōu)化，避免傳統(tǒng)針對(duì)單一物理量?jī)?yōu)化導(dǎo)致局部?jī)?yōu)化問(wèn)題，從而提高優(yōu)化效果。

技術(shù)特征：

1.一種基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法，其特征在于，包括：選擇協(xié)同參數(shù)，并確定水泵水輪機(jī)的物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法，其特征在于，所述選擇協(xié)同參數(shù)，并確定水泵水輪機(jī)的物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)的步驟包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法，其特征在于，所述協(xié)同參數(shù)包括流場(chǎng)速度v和壓力梯度所述物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)為流體力學(xué)不可壓縮流動(dòng)navier-stokes方程：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法，其特征在于，所述構(gòu)建所述協(xié)同參數(shù)取得最優(yōu)協(xié)同時(shí)的方程附加項(xiàng)的步驟包括：以所述協(xié)同參數(shù)為目標(biāo)變量，所述物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)為約束條件，采用拉格朗日乘數(shù)法構(gòu)建目標(biāo)泛函j：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法，其特征在于，當(dāng)所述協(xié)同參數(shù)為流場(chǎng)速度v和壓力梯度所述物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)為流體力學(xué)不可壓縮流動(dòng)navier-stokes方程時(shí)，

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法，其特征在于，所述邊界條件包括無(wú)滑移壁面條件和進(jìn)出口流量守恒；

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法，其特征在于，所述最優(yōu)協(xié)同方程：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法，其特征在于，所述最優(yōu)協(xié)同方程通過(guò)流體力學(xué)求解器進(jìn)行數(shù)值求解。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及水泵水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地涉及一種基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法。該水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法包括：選擇協(xié)同參數(shù)，并確定水泵水輪機(jī)的物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)；構(gòu)建協(xié)同參數(shù)取得最優(yōu)協(xié)同時(shí)的方程附加項(xiàng)；將方程附加項(xiàng)與物理流動(dòng)約束基礎(chǔ)組合，形成最優(yōu)協(xié)同方程；對(duì)最優(yōu)協(xié)同方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到滿足協(xié)同參數(shù)最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)流場(chǎng)。本發(fā)明基于多物理量最優(yōu)協(xié)同的水泵水輪機(jī)反問(wèn)題優(yōu)化方法能夠直接得到優(yōu)化結(jié)果，避免傳統(tǒng)正問(wèn)題優(yōu)化反復(fù)迭代過(guò)程的計(jì)算資源消耗、依賴人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的盲目性等，從而降低優(yōu)化成本，提高優(yōu)化效率。

技術(shù)研發(fā)人員：潘波,邵梓一,屈兵,王萌,潘紅英,潘芬,馬麗娟,周嶺,潘芳,潘進(jìn)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東心傳礦山機(jī)電設(shè)備有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2