1.2　國內外研究進展

在水力機械的優化設計研究中，早期只對葉片的翼型、葉柵等優化，而對于離心泵的零部件的研究往往則通過實驗手段。20世紀50年代，由于計算流體力學的發展，人們開始從流體計算入手，結合經驗修正，進行葉柵的優化。20世紀60年代至80年代，人們開始運用計算機技術和最優控制理論求出葉片的最優速度分布來進行葉柵設計。自20世紀80年代以來，離心泵的優化設計方法主要進行了以下幾方面的研究:

(1)速度系數法。速度系數法是泵設計中常用的方法，通過對已有的優秀水力模型進行歸納統計得到。已經有了一批經過優化的優秀水力模型，如IB型、IS型、WB型和BP型等。隨著計算機技術的不斷發展和應用，人們建立了優秀的水力模型庫，可隨時吸收先進的優秀模型，及時優化各種速度系數，緊跟當前的水泵先進水平。其中，20世紀90年代初，張俊達和何希杰等人對優秀的水力模型的主要參數進行了較詳細的研究，對參數的規律性進行了分析和討論，指出了離心泵設計的總趨勢，同時給出了許多有價值的水泵設計經驗公式，對離心泵的水力設計和性能分析將具有指導意義;陳次昌教授曾用多元回歸分析法對離心泵葉輪的幾何參數進行統計，得到了一些有效的計算公式;張俊達曾經統計了166種離心泵和混流泵的各種系數，得到了有價值的結果。速度系數法應用廣泛，但是這種方法所設計的泵的性能很難超過現有的水平。

(2)損失極值法。提高泵的效率是水泵研究者們的重要課題，而效率是與損失相對應的，最小的損失往往對應著最大的效率。所以，損失極值法就是建立各種損失與泵的幾何參數之間的關系。該方法是在保證設計工況要求的揚程和流量的條件下，通過幾何參數的不同組合，得到總損失為最小值。該方法嚴格按照數學理論，應用最為普遍，也較易實現，但是就每項損失來說是難以準確得到的;另外，除設計變量外，其他的參數都要靠經驗來賦值，這又增大了優化設計的局限性;再則，在優化過程中只注重損失與幾何參數的關系，而忽略了葉輪流道形狀、前后蓋板形狀和葉片形狀等對離心泵性能的影響，因而也有其局限性。

(3)反問題設計方法。反問題優化設計方法是根據給定的一個理想壓力或速度分布來求解葉型形狀，得到一個合理的葉型，但反命題方法設計最大的難點在于難以給定一個理想的初始壓力或速度分布。

離心泵葉片的全三維反問題方法從原理上可分為兩大類。第一類是從反問題出發直接考慮葉輪的設計，根據葉片表面的相對流速得到葉片的方程。第二類是從正問題的方法出發，把正問題的解坐為葉片反問題設計的參考和依據。常見的反問題優化設計方法主要有復特征線法、虛擬氣體法和勢流函數有限差分法，它們的共同之處就是采用給定葉片表面的速度分布進行葉型設計，使葉型表面速度分布與表面氣流參數能有機地結合起來，設計者可以在較寬廣的范圍內選擇所需要的速度分布，然后設計出相對應的葉型。

Zangeneh教授于20世紀90年代提出了基于葉片載荷理論的反問題設計方法，并與日本荏原公司Goto等合作，將葉片載荷理論用于離心泵葉輪的水力設計，形成了離心泵葉輪的三維反問題設計方法。同時國內外學者還有很多學者結合反問題設計方法和優化方法針對旋轉機械的應用上做出相應的研究。反問題設計方法是一種非常有前景的設計方法，其難點在于如何給定合理的葉片載荷。

(4)基于CFD的優化設計。近年來隨著計算流體動力學(CFD)技術和現代優化技術的發展，一種新的葉輪機械優化設計方法，即將某種現代優化算法，如遺傳算法、神經網絡算法、模擬退火算法等，與流體動力學解法結合起來，以實現給定的目標函數，在葉輪機械的設計研究中被廣泛應用?？傮w來說，葉輪機械優化設計的方法都是在葉片建模參數化和CFD技術應用的基礎上進行的，利用逼近方法通過大量的計算樣本算例得到目標函數的仿真解，繼而用優化算法以該仿真解作為適應度函數進行迭代優化計算以找出最優的幾何參數。其關鍵技術在于樣本生成的普適性，以要求能夠生成覆蓋各個參數變化范圍的樣本數據庫，充分表現各個參數在不同變化區間對目標函數的影響方向和大小;仿真環節的準確性，能夠通過對樣本數據庫的學習，準確地預測出輸入量和輸出量之間的非線性關系;優化算法的全局收斂性和魯棒性，優化算法應能夠以仿真解為適應度函數進行快速收斂到最優解，同時還能夠跳出局部最優解，達到全局最優解。