一种燃油离心泵汽蚀特性参数化仿真平台及其应用方法

本发明属于燃油离心泵汽蚀可靠性仿真与分析，尤其涉及一种用于燃油离心泵汽蚀分析的仿真平台及其应用方法。

背景技术：

1、在燃油系统领域，离心泵作为一种重要的流体传输设备，广泛应用于各类发动机及动力系统中。然而，在实际运行过程中，燃油离心泵常常面临汽蚀问题，具体是指由于泵内部压力降低至燃油的饱和蒸汽压以下，导致燃油汽化并形成气泡，这些气泡在高压区域迅速破灭，产生强烈的冲击，从而损坏泵的内部结构，降低泵的工作效率，甚至导致泵的完全失效。汽蚀问题作为燃油离心泵频度及危害度最大、最典型的故障模式，其严重制约着燃油离心泵的发展，目前已然成为燃油离心泵研发面临的主要问题之一。

2、当前，对于燃油离心泵汽蚀问题的研究，主要依赖于实验方法和传统的仿真分析。实验方法虽然能够直接反映泵的实际工作状态，但成本高昂、周期长，且难以涵盖所有可能的工作条件和参数变化。传统的仿真分析虽然可以在一定程度上预测泵的汽蚀性能，但往往基于简化的模型和假设，难以准确反映泵内部的复杂流动和汽蚀过程。此外，传统的仿真分析在参数调整和优化方面，通常需要手动修改模型或重新设定仿真条件，这不仅耗时耗力，而且可能引入人为误差。因此，现有的技术手段在燃油离心泵汽蚀可靠性分析方面存在明显的不足，无法有效地指导泵的设计和优化，也无法为泵的维护和使用提供可靠的依据。

3、随着计算机仿真技术的不断发展，参数化仿真平台在解决工程实际问题中发挥着越来越重要的作用。通过仿真平台，可以在设计阶段对燃油离心泵的性能进行预测和优化，从而减少试验成本，提高设计效率。然而，目前市场上针对燃油离心泵汽蚀现象的参数化仿真平台相对较少，难以满足复杂多变的工程需求。

4、因此，针对上述技术问题，如何设计一种基于燃油离心泵汽蚀可靠性分析的参数化仿真平台成为该领域的技术难题。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供了一种用于燃油离心泵汽蚀分析的仿真平台及其应用方法，该平台通过参数化建模设计、参数化网格划分、参数化仿真计算及离心泵参数化汽蚀可靠性计算实现对燃油离心泵的汽蚀性能进行准确预测和可靠性评估，从而为泵的设计、优化、维护和使用提供有力的支持，具有广阔的应用前景。

2、本发明通过以下技术手段解决上述问题：

3、一种燃油离心泵汽蚀特性参数化仿真平台，其特征在于，包括如下构建步骤：

4、步骤1)初始化设计：

5、使用初始离心泵设计参数进行参数化平台的搭建，将初始离心泵设计参数用.txt文件保存，记作s.txt；

6、步骤2)离心泵初始模型设计：

7、根据离心泵的性能参数和结构参数，基于旋转机械专业建模软件cfturbo对离心泵的叶轮、蜗壳、进口、和/或定子进行三维建模设计，导出.cft和.cft-batch文件，再利用.py脚本对离心泵进行参数化，同时生成离心泵叶轮模型为.geomturbo文件，分别生成定子和蜗壳模型为.stp文件；

8、步骤3)流体域参数化网格划分：

9、采用autogrid软件对叶轮单流道进行参数化网格划分，icem cfd软件分别对定子、叶轮和蜗壳进行参数化网格划分并生成高质量的网格模型，并对网格划分步骤进行录制，生成相应的.msh和.rpl参数化文件，并导出.cfx5文件；

10、步骤4)内流场参数化仿真计算：

11、根据求解要求设置内流场仿真的边界条件、输出变量、监测设置，并基于cfx-pre和cfx-post软件录制功能cession对上述过程进行录制，生成.pre和.cse参数化文件；

12、步骤5)输出汽蚀性能参数：

13、提取步骤4中的数值仿真计算结果，并基于.py文件生成y.txt，输出汽蚀性能参数文件。

14、优选的，所述离心泵的性能参数和结构参数包括：

15、离心泵的扬程h、流量q、转速n，叶轮的进口直径dj、轮毂直径dh、出口直径d2、出口宽度b2、蜗壳进口的基圆直径d3和进口宽度b3。

16、优选的，所述流体域参数化网格划分步骤还包括如下具体步骤：

17、步骤1)autogrid软件对叶轮单流道进行参数化网格划分时，其自动化通过python调用实现，基于预生成的.trb文件和cfturbo生成的.geomturbo文件编写命令文件autogrid.py，对叶轮单流道网格模型划分与导出操作命令进行设置，并生成.msh文件，使用.py命令行进行调用；

18、步骤2)icem cfd软件在参数化平台中对叶轮单流道模型旋转复制生成全流道网格模型、对蜗壳的非结构化网格划分和定子的结构化网格生成，采用icem cfd内置的命令录制功能replay scripts，分别录制叶轮、蜗壳和定子所需的操作，生成对应的.rpl文件，导出.cfx5文件，通过.py命令行进行调用。

19、优选的，所述内流场参数化仿真计算步骤中还包括如下具体步骤：

20、利用cfx-pre软件内部的命令录制功能cession模块对cfd计算的边界条件设置等操作进行录制，生成.pre文件；利用cfx-post软件内部的命令录制功能cession模块对cfd结果的计算公式和输出设置进行录制，生成.cse文件，其中：cfx的.pre、.solver和.post三部分都需要使用.py命令行进行调用。

21、上述燃油离心泵汽蚀特性参数化仿真平台的应用方法，其特征在于，包括如下具体应用步骤：

22、步骤1)使用初始离心泵设计参数搭建燃油离心泵汽蚀特性参数化仿真平台：

23、基于cfd仿真技术，并通过python编写.py脚本文件，以及利用windows批处理功能集成旋转机械专业建模软件cfturbo、网格划分软件autogrid和icem、流场求解和后处理软件cfx，建立燃油离心泵汽蚀特性参数化仿真平台；

24、步骤2)生成初始样本集sdoe：

25、基于灵敏度分析结果，对灵敏度影响较大的参数通过拉丁超立方抽样获取初始doe，记作sdoe，并生成s.txt；

26、步骤3)构建样本点库：

27、样本点库由输入变量和输出响应值构成，基于燃油离心泵汽蚀特性参数化仿真平台对初始样本集sdoe离心泵进行汽蚀仿真计算，并得到汽蚀余量npshr，生成y.txt，其对应的真实响应值记为gdoe。

28、步骤4)初始kriging模型构建：

29、根据步骤3中构建的样本点库信息，采用matlab中dace工具箱拟合kriging模型；

30、步骤5)产生候选样本点：

31、基于montecarlo抽样原理进行仿真，根据基本随机变量的联合概率密度函数生成nmc个随机样本样本点作为后续主动学习过程中的学习样本，称为候选样本点；

32、步骤6)判断收敛条件判断：

33、若满足收敛条件，则执行步骤7；

34、若不满足收敛条件，则筛选最佳样本点xbest加入初始样本集sdoe，并基于燃油离心泵汽蚀特性参数化仿真平台对最佳样本点xbest离心泵进行汽蚀仿真计算，并将最佳样本点xbest和其响应值gbest加入样本点库，返回步骤4；

35、步骤7)离心泵汽蚀可靠性计算：

36、基于当前的kriging模型，通过ssis可靠性分析方法求解离心泵汽蚀可靠性的失效概率pf和其变异系数cov(pf)；

37、步骤8)判断参数化过程终止条件：

38、若步骤6计算的变异系数cov(pf)满足cov(pf)＜0.05，则终止整个参数化的流程并输出失效概率估计值

39、若步骤6计算的变异系数cov(pf)不满足cov(pf)＜0.05，则扩充候选样本点，再回到步骤3，开始新的迭代，直至满足迭代终止条件。

40、优选的，所述生成初始样本集sdoe步骤中，灵敏度分析方法采用的是morris方法。

41、优选的，所述初始kriging模型构建步骤中，设定相关函数的参数θ初值为10，参数θ的下限为1，参数θ的上限为106。

42、本发明的一种用于燃油离心泵汽蚀分析的仿真平台及其应用方法具有以下有益效果：

43、1)该平台通过参数化建模设计、参数化网格划分、参数化仿真计算及离心泵参数化汽蚀可靠性计算实现对燃油离心泵的汽蚀性能进行准确预测和可靠性评估，从而为泵的设计、优化、维护和使用提供有力的支持。其中，该平台允许用户通过参数设置和调整，快速生成不同条件下的仿真模型，而无需手动修改模型或重新设定仿真条件。这种智能化的参数化建模方式，大大提高了仿真分析的效率和准确性。同时，参数化仿真平台还能够自动处理大量的仿真数据，提取关键信息，为设计优化和决策提供支持。此外，它还能够实现与其他软件的集成，进一步拓展其应用范围和功能。因此，参数化仿真平台不仅继承了传统仿真分析的基本功能，而且通过引入参数化和智能化的特性，极大地提升了仿真分析的效率和准确性，为燃油离心泵汽蚀可靠性分析提供了一种更加高效和可靠的方法。

44、2)该平台因为采用python脚本文件，利用windows批处理功能集成旋转机械专业建模软件cfturbo、网格划分软件autogrid和icem、流场求解、后处理软件cfx及matlab计算汽蚀可靠度等技术手段，所以克服了传统的仿真分析在处理燃油离心泵汽蚀问题时，通常需要手动调整模型参数和仿真条件，不仅效率低下，而且容易引入人为误差的技术问题，进而大幅提高了仿真分析的效率和准确性。

45、3)该平台因为采用先进的数值计算方法和汽蚀预测模型，克服了传统的仿真分析耗时耗力的技术问题，进而具有准确地预测泵的汽蚀性能的优点。

46、4)该平台具有较高的灵活性和可扩展性，可以根据不同的燃油离心泵类型和应用场景，灵活调整参数和模型。

47、5)随着技术的不断进步，平台还可以方便地集成新的算法和模型，以适应不断变化的需求。通过参数化仿真平台，企业可以在产品设计阶段就预测和评估泵的汽蚀性能，从而避免在实际生产过程中出现问题。这有助于优化资源利用，减少不必要的浪费，降低生产成本。