寻找下级泵站最佳母管管径

南汇北泵站的母管变化范围为2400～3600mm，为了寻找南汇北泵站母管的最佳管径，在该变化范围中选取十种不同的母管管径进行计算，得到十种管径下的系统能量损失和水头损失，以及水头损失和母管管径之间的关系曲线。

但是生成的这种曲线只能粗糙地反映这两者之间的关系，为了准确得到最佳的母管管径，需要采用更精确的寻优方法——ANSYS Workbench寻优算法。

（1）优化设计原理

优化设计是一种寻求确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需要的支出（如质量、费用、人力、体积）最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，如尺寸（厚道、长度等）、形状（过渡圆角的大小等）、支撑位置、制造费用、自振频率、材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以做优化设计。ANSYS Design Xplorer是功能强大而方便易用的多目标优化模块。实际工程需要多个优化目标，工程中需要产品的总体性能较好，而不是某项指标最好。产品多项指标皆趋向于最好，而不能某项指标达到最好，而无视其他需要。

优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。基于数值分析技术的CAE方法，显然不可能对目标得到一个解析函数，CAE计算所求得的结果只是一个数值。然而，样条插值技术又使CAE中的优化成为可能，多个数值点可以利用插值技术形成一条连续的可用函数表达的曲线或曲面，如此便回到了数学意义上的极值优化技术上来。

该工程在寻求最佳管道直径、管道衔接角度、非标管配件的转弯半径时都是使用Pro／E和ANSYS软件在AWE环境下实现优化设计的目的。

（2）优化过程和优化结果

①因为只需要对母管管径寻优，因此只截取了母管以及和母管相连的一小段进行分析。通过Design Modeler建模软件，建立参数化模型，对母管管径参数化。母管管径的寻优范围是2400～3600mm。

②利用Workbench Meshing软件模块生成四面体网格，为了能更好地捕捉壁面上的流动，在靠近边界处添加边界层，网格数量级为1.6E5。

③边界条件。由于已经给出了最佳的水泵运行配置方式，即采用编号25的水泵配置方式。壁面粗糙度为0.3mm，边界无滑移。左端的两个入口给压力边界条件，右端1、3、4、6出口的流速为1.539m／s。其他出口设置成壁面。

④计算结果。在母管管径2400～3600mm选取的10组不同管径的能量损耗的关系曲线如图7-31所示。将能量损失换算成水头损失的关系曲线如图7-32所示。(www.xing528.com)

图7-31 优化过程母管管径与能量损失

图7-32 优化过程母管管径与水头损失

可以看出，一开始随着母管管径的增大，水头损失在减少。但是母管管径超过一定范围后，水头损失趋于稳定。但是多大管径才是最佳管径还不好判断，需要用优化算法精确求解。

⑤寻优优化。使用Workbench软件，利用ANSYS遗传寻优算法进行精确计算。因为几何模型已经对母管管径参数化，因此只要在2400～3600mm选取几组离散点，计算得到相应的水头损失，再结合Workbench本身的拓扑结构化优化设计的思想，即可得到不同母管管径下的功率损失拟合曲线如图7 33所示。

图7-33 母管管径与能量损失拟合曲线

图7-34 母管管径与水头损失拟合曲线

从图中可看出最优点为2950mm处，再增大管径不仅不会减少损失，而且会增加工程成本。

换算成水头损失，如图7-34所示。

利用公式7-2计算母管局部阻力系数的公式计算得ζ=1.30，此时的阻力系数ζ只是母管的局部阻力系数，比整个系统的阻力系数要小。