(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211083727.1 (22)申请日 2022.09.06 (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市闵行区东川路80 0号 (72)发明人 王德忠　龚波　尹俊连　张正川　 (74)专利代理 机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 3123 6 专利代理师 胡晶 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化方 法和系统 (57)摘要 本发明提供了一种基于三维反设计的喷水 推进泵噪声优化方法和系统， 包括： 叶轮、 转轮 室、 导叶体， 子午面流道控制线采用四阶三次贝 塞尔曲线拟合， 叶截面载荷分布采用三段式控制 规律， 通过响应面建立子午面拟合曲线控制点坐 标、 叶截面载荷分布控制参数、 堆叠角度与 喷水 推进泵扬程、 效率、 噪声的对应关系， 通过多目标 遗传算法进行寻优， 得到满足目标扬程和效率需 求的噪声最低时对应的控制参数值， 实现喷水推 进泵的高性能低噪声设计。 本发 明兼顾了喷水推 进泵性能和噪声的多 方面需求， 该设计方法也适 用于泵喷的设计， 推广后可普遍应用于喷水推进 系统的设计上。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115455854 A 2022.12.09 CN 115455854 A 1.一种基于三维反设计的喷水推进 泵噪声优化方法， 其特 征在于， 包括： 步骤1： 构建基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化水力模型， 包括叶轮、 转轮室、 导叶 轮毂、 导叶叶片和导叶室， 叶轮叶片固定于叶轮轮毂， 叶轮叶片叶稍端面与转轮室内壁面留 有等距离叶顶间隙， 导叶 叶片叶根固定 于导叶轮毂， 导叶 叶片叶顶固定 于导叶室； 步骤2： 采用四点三 次贝塞尔曲线分别对转轮室和导叶室轮缘曲线和轮毂曲线拟合， 得 到各个曲线的控制点P0、 P1、 P2、 P3在周向XY平 面上的坐标和贝塞尔曲线拟合的子午面流道 模型； 步骤3： 确定叶轮叶片进口载荷数值和叶轮进出口载荷的样本空间， 建立叶轮叶片和导 叶叶片载荷的参数化设计模型； 步骤4： 采用线性角度堆叠方式， 将堆叠角 θ作为设计参数变量； 步骤5： 采用计算流体力学的方式先后进行单流道流场的定常计算和非定常计算， 以节 省单个优化 点的计算时间， 采用计算 流体力学与计算声学相耦合的间接法预测流噪声； 步骤6： 确定各设计变量参数取值范围， 对泵多参数进行敏感性分析， 通过逐一改变相 关设计变量数值， 得到优化目标受 因素变动影响大小的规 律； 步骤7： 采用智能优化算法NS GA‑II实现性能的全自动优化， 经过多次迭代计算， 在全局 范围内获得最优过流部件参数组合， 实现过流部件的性能匹配设计， 并最终得到目标函数 噪声水平最小的模型。 2.根据权利要求1所述的基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化方法， 其特征在于， 控 制点P0为首点， 控制点P3为末点， P1和P2为中间点， P0与P3的坐标被限定， P1和P2坐标可变 动， 令： 则P1和P2点坐标满足： P1＝P0+c1(P3‑P0)， P2＝P3‑c2(P3‑P0)， 其中c1∈[0,1]， c2∈[0,1]； 以每条曲线的c1、 c2为参数变量， 四条曲线共八个参数变量， 记为c0～c7， c0～c7的取值范 围均为[0， 1]。 3.根据权利要求1所述的基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化方法， 其特征在于， 所 述步骤3包括： 基于目标喷水推进泵的流量、 扬程和转速确定叶轮叶片进口载荷数值， 根据 需求确定叶轮进出 口环量差的范围， 从而确定叶轮进出 口载荷的样本空间， 在载荷分布 时 限制叶梢处载荷以实现叶梢涡空化控制， 从而降低空化噪声； 采用三段式叶片载荷控制方式控制叶片上载荷 分布， 以载荷 分布控制变量为设计变量 实现叶片的参数化， 建立叶轮叶片和导叶 叶片载荷的参数化设计模型。 4.根据权利要求1所述的基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化方法， 其特征在于， 所 述步骤5包括： 基于Lighthill方程将流噪声的产生与传播分开考虑： 采用计算声学的方式 计算声传播时耦合的泵体振动， 在声学网格划分完成后， 结合声源信息文件和泵体的结构 模态文件进行声学计算， 得到导叶腔室出口处的流噪声。 5.根据权利要求1所述的基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化方法， 其特征在于， 所 述步骤6包括： 采用响应面试验设计的方式设计多组试验方案， 并建立优化目标和设计变量 间的二次项的函数， 进 行二次回归分析， 从而获得显著影响泵性能的设计变量， 去除影响性 能较小的设计参数。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115455854 A 26.一种基于三维反设计的喷水推进 泵噪声优化系统， 其特 征在于， 包括： 模块M1： 构建基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化水力模型， 包括叶轮、 转轮室、 导 叶轮毂、 导叶叶片和导叶室， 叶轮叶片固定于叶轮轮毂， 叶轮叶片叶稍端面与转轮 室内壁面 留有等距离叶顶间隙， 导叶 叶片叶根固定 于导叶轮毂， 导叶 叶片叶顶固定 于导叶室； 模块M2： 采用四点三次贝塞尔曲线分别对转轮室和导叶室轮缘曲线和轮毂曲线拟合， 得到各个曲线的控制点P 0、 P1、 P2、 P 3在周向XY平 面上的坐标和贝塞尔曲线拟合的子午面流 道模型； 模块M3： 确定叶轮 叶片进口载荷数值和叶轮进出口载荷的样本空间， 建立叶轮 叶片和 导叶叶片载荷的参数化设计模型； 模块M4： 采用线性角度堆叠方式， 将堆叠角 θ作为设计参数变量； 模块M5： 采用计算流体力学的方式先后进行单流道流场的定常计算和非定常计算， 以 节省单个优化 点的计算时间， 采用计算 流体力学与计算声学相耦合的间接法预测流噪声； 模块M6： 确定各设计变量参数取值范围， 对泵多参数进行敏感性分析， 通过逐一改变相 关设计变量数值， 得到优化目标受 因素变动影响大小的规 律； 模块M7： 采用智能优化算法NSGA ‑II实现性能的全自动优化， 经过多次迭代计算， 在全 局范围内获得最优过流部件参数组合， 实现过流部件的性能匹配设计， 并最终得到目标函 数噪声水平最小的模型。 7.根据权利要求6所述的基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化系统， 其特征在于， 控 制点P0为首点， 控制点P3为末点， P1和P2为中间点， P0与P3的坐标被限定， P1和P2坐标可变 动， 令： 则P1和P2点坐标满足： P1＝P0+c1(P3‑P0)， P2＝P3‑c2(P3‑P0)， 其中c1∈[0,1]， c2∈[0,1]； 以每条曲线的c1、 c2为参数变量， 四条曲线共八个参数变量， 记为c0～c7， c0～c7的取值范 围均为[0， 1]。 8.根据权利要求6所述的基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化系统， 其特征在于， 所 述模块M3包括： 基于目标喷水推进泵的流量、 扬程和转速确定叶轮叶片进口载荷数值， 根据 需求确定叶轮进出 口环量差的范围， 从而确定叶轮进出 口载荷的样本空间， 在载荷分布 时 限制叶梢处载荷以实现叶梢涡空化控制， 从而降低空化噪声； 采用三段式叶片载荷控制方式控制叶片上载荷 分布， 以载荷 分布控制变量为设计变量 实现叶片的参数化， 建立叶轮叶片和导叶 叶片载荷的参数化设计模型。 9.根据权利要求6所述的基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化系统， 其特征在于， 所 述模块M5包括： 基于Lighthill方程将流噪声的产生与传播分开考虑： 采用计算声学的方式 计算声传播时耦合的泵体振动， 在声学网格划分完成后， 结合声源信息文件和泵体的结构 模态文件进行声学计算， 得到导叶腔室出口处的流噪声。 10.根据权利要求6所述的基于三维反设计的喷水推进泵噪声优化系统， 其特征在于， 所述模块M6包括： 采用响应面试验设计的方式设计多组试验方案， 并建立优化目标和设计 变量间的二次项的函数， 进行二次回归分析， 从而获得显著影响泵性能的设计变量， 去除影 响性能较小的设计参数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115455854 A 3