CFturbo叶轮设计教程
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=
. ∆
Q-流量
∆ − 压差
P-轴功率
二、轴流泵优化
5.结果——敏感性分析/初始模型最佳预测MOP
响应面：
∆ = (S1,∆z)
二、轴流泵优化
5.结果——敏感性分析/平行坐标绘图
参数
目标
约束
二、轴流泵优化
5.结果——优化
算法
采样数
分析时间
分析时间/样本数
效率
进化算法（EA）
43
优化后
三、跨声速离心压气机优化
7、优化设计前后对比
优化前
44
优化后
三、跨声速离心压气机优化
7、优化设计前后对比
优化前
45
优化后
小结
Cfturbo与CFD软件如PumpLinx具有无缝集成接口，可快速实现设计
仿真的一体化设计与分析；
大多数优化软件均可集成CFturbo和相关联的CFD分析软件如
目录
1. 优化设计系统技术方案简介
2. 支撑软件介绍
3. 设计优化案例分享
4. 小结
2
优化设计系统技术方案简介
网格生成
ICEM-CFD, TurboGrid,
Pointwise, Gambit, …
参数化设计
CFturbo®
CFD/FEM 仿真
PumpLinx, ANSYS-CFX,
Star CCM+, CFdesign, …
• 总压比：Π= 4
• 转速：n = 90000 min-1
34
三、跨声速离心压气机优化
1、用CFturbo®进行初始设计
导出模型进行CFD仿真计算
35
三、跨声速离心压气机优化
2、网格划分
叶轮网格：300万
蜗壳网格：50万
36
三、跨声速离心压气机优化
2、CFD数值模拟参数设置
入口条件：
总压 1bar
19.03
一维三维仿真集成 — 一键赋值
操作步骤
1.
2.
3.
4.
接口软件创建新泵，指定泵名称。
Flowmaster软件中创建Network，对其中的离
心泵进行命名，要求Network中的离心泵名称
和接口软件中的泵名称对应。
点击“Flowmaster模型列表”，刷新出
Flowmaster中的项目目录，选择目标Network。
设计、仿真、优化、
制造一体化
CAD
Catia, SolidWorks, UG-NX,
ProE, BladeGen, …
一键集成系统分析
软件Flowmaster，
KULI,……
生产制造
快速样机成型,
验证
优点：减少对工程师设计经验的依赖，缩短设计周期，提
3
高达到设计目标的可能性。
支撑软件介绍
三维设计软件：Cfturbo
生物进化过程中“适者生存”的规律，模仿生物进化过程中的遗传繁殖机
制，对优化问题解空间的个体进行编码（二进制或其他进制），然后对编
码后的个体种群进行遗传操作（如：选择、交叉、变异等），通过迭代从
新种群中寻找含有最优解或较优解的组合。
14
一、离心泵优化
5、优化策略
• 序列二次规划算法的基本思想是在初始点处将非线性规划问题的目标函
温度 20ºC
出口条件：
质量流量 0.11kg/s
定常求解
理想气体
模型处理
37
三、跨声速离心压气机优化
3、CFD模拟结果
总压比
功率
分级效率
叶轮效率
3.8
24260
0.61
0.81
压比达不到设计要求，需进行优化设计
38
三、跨声速离心压气机优化
4、optiSLang优化平台搭建
CFturbo
叶轮设计
PumpLinx，实现设计仿真优化的一体化设计方案；
PumpLinx可与系统分析软件Flowmaster双向耦合，快速实现数据传
递，加速对流体系统的性能分析和部件选型；
该优化设计系统可减少设计人员对设计经验的依赖，提高性能最优
结果的可能性；
缩短产品研发周期，提高经济效益。
46
• 叶片头部线和尾缘线简化为直线
二、轴流泵优化பைடு நூலகம்
3.参数
二、轴流泵优化
4.优化设计
设计点参数：
• 设计流量Q=1.476m3/s
• 总压差∆ = 0.4666 = 4.755
• 转速=780rad/min
• 水，无预旋
设计目标
• 水力效率最大
限制
• βB2 < 90°
• 总压差∆pt ± 10%范围内
数和约束条件展开为泰勒级数，其中目标函数展开为泰勒级数时取至二
次项，而约束条件函数展开为泰勒级数时取至一次项，略去其余的高次
项，这样就把一个非线性规划问题转化为一个二次规划问题。
15
一、离心泵优化
6、优化结果分析
1. 在满足扬程的约束下，经过323次迭代，额定点效率提高到
85.21%，提高了1.56%；
• 可以对设计模型进行快速CFD求解，尤其
是泵阀类运动机械。
进口段
转子
模型信息：
• 29200节点
• 200000网格
• 二叉树网格
• 求解速度快，精度高
出口段
二、轴流泵优化
2.软件工具
b）Pumplinx
相对速度矢量
• 收敛性监测
压力云图流线
二、轴流泵优化
3.参数
简化：
• Hub线和shroud线简化为平行的直线
二、轴流泵优化
4.优化设计
不同的几何
参数
网格、计算模型、收
敛稳定性等的检查
模型更新和几
何输出
（*.spro,*.stl）
检查警告和
错误信息
对计算结果进行检查
检查βB2 < 90°?
二、轴流泵优化
5.结果——部分优化设计模型
二、轴流泵优化
5.结果——敏感性分析/样本数量
二、轴流泵优化
5.结果——敏感性分析/预测系数CoP
3.2mm
2.85mm
叶片数
16
叶片角
41 包角
总压比P
功率消耗p
效率η
叶轮效率
ηimp
16
3.8
24260
0.61
0.81
55°
58.6°
4.0
23540
0.66
0.82
57
63.7°
三、跨声速离心压气机优化
7、优化设计前后对比
优化前
42
优化后
三、跨声速离心压气机优化
7、优化设计前后对比
优化前
点击一键赋值，实现离心泵性能曲线的设置。
泵性能曲线与
泵元件自动关
联并赋值
二、轴流泵优化
2.软件工具
a）CFturbo
• 从设计参数到三维模型只需几个操作步骤；
• 所有的设计参数均咳哟通过batch命令从
XML文件提取；
• 所有参数均可以被optiSLang集成。
二、轴流泵优化
2.软件工具
b）Pumplinx
330
72.2h
13.1min
69.9%+5%
自适应响应面方法
540
26.3h
14.0min
69.3+4.4%
（ARSM）
电脑配置：
• 2*Intel Xeon 3.07 GHz，6 cores
• 64GB RAM
• 2核并行
二、轴流泵优化
5.结果——优化
二、轴流泵优化
5.总结
基于CFturbo+PumpLinx+optiSLang的优化设计系统可成
约束：扬程≥45m 叶轮直径≤0.25m
参数：
1. 叶轮主要外形尺寸：
• 吸入口直径
• 叶轮出口直径
• 叶轮出口宽度
2. 子午面形状：
• 前盖板型线
• 后盖板型线
3. 叶片形状：
• 叶片进口位置
• 叶片包角
13
• 叶片出口角
一、离心泵优化
4、优化策略
•
遗传算法（GA, Genetic Algorithm）是Holland在60年代提出的，主要借助
39
TurboGrid，
ICEM-CFD
网格划分
CFX
数值分析
三、跨声速离心压气机优化
5、优化定义
目标（因变量）
效率→最大
约束
功率消耗：Pi < 25.5 kW
总压比：π＞4
参数（自变量）
主要尺寸
• 吸入直径
• 叶轮直径
• 出口宽度
• 子午线轮廓
• 轴向高度
40
叶片特性
• 叶片数
• 叶片出口安放角
1. 基本的流体方程
2. 经验函数
连续性方程
动量方程
速度三角形……
大量实际设计经验
用户自身设计经验
仿真软件
网格划分
6
数值模拟
外特性曲线
优化软件
目标（因变量）：产品的
明确设计目标
概念设计
建立设计流程
建立一体化设计系统
构建探索方案
选择探索方案
某一特性，如效率、压升
等
改变输入文件的设计变量
约束：在满足某些参数要
2. 离心泵的扬程和效率曲线都在原来基础上有所提高，各工况
16
点，扬程提高了5m以上，效率提高在2%左右。
. ∆
Q-流量
∆ − 压差
P-轴功率
二、轴流泵优化
5.结果——敏感性分析/初始模型最佳预测MOP
响应面：
∆ = (S1,∆z)
二、轴流泵优化
5.结果——敏感性分析/平行坐标绘图
参数
目标
约束
二、轴流泵优化
5.结果——优化
算法
采样数
分析时间
分析时间/样本数
效率
进化算法（EA）
43
优化后
三、跨声速离心压气机优化
7、优化设计前后对比
优化前
44
优化后
三、跨声速离心压气机优化
7、优化设计前后对比
优化前
45
优化后
小结
Cfturbo与CFD软件如PumpLinx具有无缝集成接口，可快速实现设计
仿真的一体化设计与分析；
大多数优化软件均可集成CFturbo和相关联的CFD分析软件如
目录
1. 优化设计系统技术方案简介
2. 支撑软件介绍
3. 设计优化案例分享
4. 小结
2
优化设计系统技术方案简介
网格生成
ICEM-CFD, TurboGrid,
Pointwise, Gambit, …
参数化设计
CFturbo®
CFD/FEM 仿真
PumpLinx, ANSYS-CFX,
Star CCM+, CFdesign, …
• 总压比：Π= 4
• 转速：n = 90000 min-1
34
三、跨声速离心压气机优化
1、用CFturbo®进行初始设计
导出模型进行CFD仿真计算
35
三、跨声速离心压气机优化
2、网格划分
叶轮网格：300万
蜗壳网格：50万
36
三、跨声速离心压气机优化
2、CFD数值模拟参数设置
入口条件：
总压 1bar
19.03
一维三维仿真集成 — 一键赋值
操作步骤
1.
2.
3.
4.
接口软件创建新泵，指定泵名称。
Flowmaster软件中创建Network，对其中的离
心泵进行命名，要求Network中的离心泵名称
和接口软件中的泵名称对应。
点击“Flowmaster模型列表”，刷新出
Flowmaster中的项目目录，选择目标Network。
设计、仿真、优化、
制造一体化
CAD
Catia, SolidWorks, UG-NX,
ProE, BladeGen, …
一键集成系统分析
软件Flowmaster，
KULI,……
生产制造
快速样机成型,
验证
优点：减少对工程师设计经验的依赖，缩短设计周期，提
3
高达到设计目标的可能性。
支撑软件介绍
三维设计软件：Cfturbo
生物进化过程中“适者生存”的规律，模仿生物进化过程中的遗传繁殖机
制，对优化问题解空间的个体进行编码（二进制或其他进制），然后对编
码后的个体种群进行遗传操作（如：选择、交叉、变异等），通过迭代从
新种群中寻找含有最优解或较优解的组合。
14
一、离心泵优化
5、优化策略
• 序列二次规划算法的基本思想是在初始点处将非线性规划问题的目标函
温度 20ºC
出口条件：
质量流量 0.11kg/s
定常求解
理想气体
模型处理
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三、跨声速离心压气机优化
3、CFD模拟结果
总压比
功率
分级效率
叶轮效率
3.8
24260
0.61
0.81
压比达不到设计要求，需进行优化设计
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三、跨声速离心压气机优化
4、optiSLang优化平台搭建
CFturbo
叶轮设计
PumpLinx，实现设计仿真优化的一体化设计方案；
PumpLinx可与系统分析软件Flowmaster双向耦合，快速实现数据传
递，加速对流体系统的性能分析和部件选型；
该优化设计系统可减少设计人员对设计经验的依赖，提高性能最优
结果的可能性；
缩短产品研发周期，提高经济效益。
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• 叶片头部线和尾缘线简化为直线
二、轴流泵优化பைடு நூலகம்
3.参数
二、轴流泵优化
4.优化设计
设计点参数：
• 设计流量Q=1.476m3/s
• 总压差∆ = 0.4666 = 4.755
• 转速=780rad/min
• 水，无预旋
设计目标
• 水力效率最大
限制
• βB2 < 90°
• 总压差∆pt ± 10%范围内
数和约束条件展开为泰勒级数，其中目标函数展开为泰勒级数时取至二
次项，而约束条件函数展开为泰勒级数时取至一次项，略去其余的高次
项，这样就把一个非线性规划问题转化为一个二次规划问题。
15
一、离心泵优化
6、优化结果分析
1. 在满足扬程的约束下，经过323次迭代，额定点效率提高到
85.21%，提高了1.56%；
• 可以对设计模型进行快速CFD求解，尤其
是泵阀类运动机械。
进口段
转子
模型信息：
• 29200节点
• 200000网格
• 二叉树网格
• 求解速度快，精度高
出口段
二、轴流泵优化
2.软件工具
b）Pumplinx
相对速度矢量
• 收敛性监测
压力云图流线
二、轴流泵优化
3.参数
简化：
• Hub线和shroud线简化为平行的直线
二、轴流泵优化
4.优化设计
不同的几何
参数
网格、计算模型、收
敛稳定性等的检查
模型更新和几
何输出
（*.spro,*.stl）
检查警告和
错误信息
对计算结果进行检查
检查βB2 < 90°?
二、轴流泵优化
5.结果——部分优化设计模型
二、轴流泵优化
5.结果——敏感性分析/样本数量
二、轴流泵优化
5.结果——敏感性分析/预测系数CoP
3.2mm
2.85mm
叶片数
16
叶片角
41 包角
总压比P
功率消耗p
效率η
叶轮效率
ηimp
16
3.8
24260
0.61
0.81
55°
58.6°
4.0
23540
0.66
0.82
57
63.7°
三、跨声速离心压气机优化
7、优化设计前后对比
优化前
42
优化后
三、跨声速离心压气机优化
7、优化设计前后对比
优化前
点击一键赋值，实现离心泵性能曲线的设置。
泵性能曲线与
泵元件自动关
联并赋值
二、轴流泵优化
2.软件工具
a）CFturbo
• 从设计参数到三维模型只需几个操作步骤；
• 所有的设计参数均咳哟通过batch命令从
XML文件提取；
• 所有参数均可以被optiSLang集成。
二、轴流泵优化
2.软件工具
b）Pumplinx
330
72.2h
13.1min
69.9%+5%
自适应响应面方法
540
26.3h
14.0min
69.3+4.4%
（ARSM）
电脑配置：
• 2*Intel Xeon 3.07 GHz，6 cores
• 64GB RAM
• 2核并行
二、轴流泵优化
5.结果——优化
二、轴流泵优化
5.总结
基于CFturbo+PumpLinx+optiSLang的优化设计系统可成
约束：扬程≥45m 叶轮直径≤0.25m
参数：
1. 叶轮主要外形尺寸：
• 吸入口直径
• 叶轮出口直径
• 叶轮出口宽度
2. 子午面形状：
• 前盖板型线
• 后盖板型线
3. 叶片形状：
• 叶片进口位置
• 叶片包角
13
• 叶片出口角
一、离心泵优化
4、优化策略
•
遗传算法（GA, Genetic Algorithm）是Holland在60年代提出的，主要借助
39
TurboGrid，
ICEM-CFD
网格划分
CFX
数值分析
三、跨声速离心压气机优化
5、优化定义
目标（因变量）
效率→最大
约束
功率消耗：Pi < 25.5 kW
总压比：π＞4
参数（自变量）
主要尺寸
• 吸入直径
• 叶轮直径
• 出口宽度
• 子午线轮廓
• 轴向高度
40
叶片特性
• 叶片数
• 叶片出口安放角
1. 基本的流体方程
2. 经验函数
连续性方程
动量方程
速度三角形……
大量实际设计经验
用户自身设计经验
仿真软件
网格划分
6
数值模拟
外特性曲线
优化软件
目标（因变量）：产品的
明确设计目标
概念设计
建立设计流程
建立一体化设计系统
构建探索方案
选择探索方案
某一特性，如效率、压升
等
改变输入文件的设计变量
约束：在满足某些参数要
2. 离心泵的扬程和效率曲线都在原来基础上有所提高，各工况
16
点，扬程提高了5m以上，效率提高在2%左右。
