叶轮机械包括泵、压缩机、风机和涡轮等，它们广泛应用于石油、化工、轻工、电力、冶金、矿山、农业等各个国民经济部门，然而其电能的消耗十分巨大。为了降低能源消耗，提高产品的市场竞争力，在满足使用条件的情况下，需尽可能提高产品的性能，提高工作效率，减少耗电量，从而减少客户的使用费用，目前这已成为产品开发的重要目标。

近几年，随着计算机技术迅速发展，CAD和CFD技术已深入产品开发应用当中。但是随着CAD和CFD技术的使用，新的问题随之而来，初步设计的产品如果通过CFD仿真得到的性能曲线不能满足使用要求，往往需要做一些修改。通过重新在CAD模型中修改几何参数，再仿真计算获得结果，如此往复，直到产品的性能能够满足设计要求。

这种旧的技术方案在应用过程中会存在以下几个主要问题：

01 . 优化方向难以确定，严重依赖设计人员大量经验积累；

叶轮旋转机械设计仿真优化平台是建立在优化算法的基础上，搭建叶轮机械设计模块和流体仿真模块，在特定的目标函数的约束下，形成产品设计和修正-仿真分析-基于优化算法指导设计修正的过程数据链，这样可使产品的设计优化具有自动化，并有方向性地进行产品设计修正，减少设计人员重复性的工作，快速找到最佳匹配度的设计参数组合。

优化平台包含了叶轮机械三维设计、CFD仿真和基于目标函数的参数优化三个部分，通过在叶轮机械设计软件中进行产品的全三维设计，获得较理想的初步的设计模型，并对此设计模型进行数值分析，获得目标函数值；根据分析所得的目标函数值，设置需要优化的设计参数，通过优化算法对设计参数进行有针对性的排列组合，以最少的优化设计次数获得最佳的设计参数组合，最终得到符合要求的产品。

根据该设计优化平台建设目标要求，推荐引入专业的旋转机械设计软件CFturbo作为叶轮机械设计部分的应用工具。CFturbo具备叶轮机械的整机设计能力，包括叶轮机械的叶轮、诱导轮、蜗壳、扩压器（叶片式/流道式）的设计能力，以及针对某些特殊要求的设计能力，例如污水泵设计功能（1~3叶片），双蜗壳设计功能、复合叶片设计等。每个设计步骤所涉及参数均支持参数输出和批处理，以便与CFD分析和优化进行更好的集成。

对于旋转机械的性能分析，目前较主流的CFD工具有Simerics-MP+（原名PumpLinx）、CFX和Numeca。CFturbo与上述几款软件均能实现批处理数据交互，从实现难易程度和接口的成熟性而言，CFturbo与Simerics-MP+为无缝集成接口，Simerics-MP+本身定位为专业的运动机械CFD分析工具，要实现基于平台的叶轮机械设计仿真分析Simerics-MP+是比较理想的选择。

Simerics-MP+核心技术特点如下：

• 复杂几何网格解析技术

• 泵、阀模版化建模（含网格、求解设置、后处理）技术

• 一键式动网格生成

• 独到的全空化模型与汽蚀损害模型

• 稳健精确的多相流技术

• 高精度、高效率、高稳定性的解算器，高精度并行求解技术

对于叶轮机械的优化设计，可引入专业的优化设计工具如OASIS/iSight/Optimus……，也可不考虑集成软件，直接将优化算法集成到设计平台，实现叶轮机械的优化设计。该优化功能可实现将数字技术、推理技术和设计探索技术有效融合，并把大量的需要人工完成的工作由软件实现自动化处理，代替工程设计人员进行重复性的、易出错的数字处理和设计处理工作。通过集成仿真代码并提供设计智能支持，从而对多个设计可选方案进行评估、研究，大大缩短了产品的设计周期，显著提高产品性能。优化方法已经有几十年的发展历史了。优化领域纷繁浩渺，按照其在工程中的应用阶段分为经典优化方法、元启发式方法、代理模型法、基于机器学习的智能优化方法四个阶段。OASIS智能优化设计软件智慧地集成了人工智能，机器学习，统计和数学的业界领先算法。OASIS智能优化软件具有行业内领先的技术，集成了业界领先的AI算法，可以方便地与其它仿真模型集成或直接使用实验数据，进行高效的参数化设计优化，特别擅长解决一些大变量、强约束以及黑箱问题。同时OASIS的智能封装优化算法，可以实现一键优化，无需选择优化算法和参数。此外，OASIS还提供可视化评估优化结果以及直观的决策支持功能。

某轴流泵设计点参数如下：

• 设计流量：Q=1.476m3/s

• 总压差：0.4666bar

• 转速：780rad/min

• 水，无预旋

采用CFturbo进行轴流泵的参数化设计，所有设计参数均可通过batch文件输出，然后在优化软件集成这些设计参数。

设计完成以后，一键式导出模型并启动采用专用运动机械CFD软件Simerics-MP+进行流场计算，获取泵性能数据。

然后完成以下一体化优化流程定义：

目标：水力效率最大。

约束：βB2<90°；总压差∆pt±10%范围内。

变量：如下图。

应用智能优化软件OASIS作为优化工具，并搭建优化流程。将所有设计流程组织到一个统一的逻辑框架中，自动运行仿真软件，并自动重启设计流程，从而消除传统设计流程中的重复性工作，使整个设计流程实现全数字化和全自动化。

通过上述优化流程，应用CFturbo-Simerics-MP+-OASIS工具软件，实现轴流泵的自动优化设计。不到40小时完成大约300个设计，并满足所有约束，最终将泵的效率提高了5%。部分优化模型结果如下所示。

某跨声速压缩机设计工况如下：

质量流量：m=0.11kg/s

总压比：Π= 4

转速：n = 90000 min-1

根据以上参数，采用CFturbo进行初始模型设计，如下图。

采用CFD软件进行流场分析，获取压缩机性能数据。