1.2　国内外研究进展

在水力机械的优化设计研究中，早期只对叶片的翼型、叶栅等优化，而对于离心泵的零部件的研究往往则通过实验手段。20世纪50年代，由于计算流体力学的发展，人们开始从流体计算入手，结合经验修正，进行叶栅的优化。20世纪60年代至80年代，人们开始运用计算机技术和最优控制理论求出叶片的最优速度分布来进行叶栅设计。自20世纪80年代以来，离心泵的优化设计方法主要进行了以下几方面的研究:

(1)速度系数法。速度系数法是泵设计中常用的方法，通过对已有的优秀水力模型进行归纳统计得到。已经有了一批经过优化的优秀水力模型，如IB型、IS型、WB型和BP型等。随着计算机技术的不断发展和应用，人们建立了优秀的水力模型库，可随时吸收先进的优秀模型，及时优化各种速度系数，紧跟当前的水泵先进水平。其中，20世纪90年代初，张俊达和何希杰等人对优秀的水力模型的主要参数进行了较详细的研究，对参数的规律性进行了分析和讨论，指出了离心泵设计的总趋势，同时给出了许多有价值的水泵设计经验公式，对离心泵的水力设计和性能分析将具有指导意义;陈次昌教授曾用多元回归分析法对离心泵叶轮的几何参数进行统计，得到了一些有效的计算公式;张俊达曾经统计了166种离心泵和混流泵的各种系数，得到了有价值的结果。速度系数法应用广泛，但是这种方法所设计的泵的性能很难超过现有的水平。

(2)损失极值法。提高泵的效率是水泵研究者们的重要课题，而效率是与损失相对应的，最小的损失往往对应着最大的效率。所以，损失极值法就是建立各种损失与泵的几何参数之间的关系。该方法是在保证设计工况要求的扬程和流量的条件下，通过几何参数的不同组合，得到总损失为最小值。该方法严格按照数学理论，应用最为普遍，也较易实现，但是就每项损失来说是难以准确得到的;另外，除设计变量外，其他的参数都要靠经验来赋值，这又增大了优化设计的局限性;再则，在优化过程中只注重损失与几何参数的关系，而忽略了叶轮流道形状、前后盖板形状和叶片形状等对离心泵性能的影响，因而也有其局限性。

(3)反问题设计方法。反问题优化设计方法是根据给定的一个理想压力或速度分布来求解叶型形状，得到一个合理的叶型，但反命题方法设计最大的难点在于难以给定一个理想的初始压力或速度分布。

离心泵叶片的全三维反问题方法从原理上可分为两大类。第一类是从反问题出发直接考虑叶轮的设计，根据叶片表面的相对流速得到叶片的方程。第二类是从正问题的方法出发，把正问题的解坐为叶片反问题设计的参考和依据。常见的反问题优化设计方法主要有复特征线法、虚拟气体法和势流函数有限差分法，它们的共同之处就是采用给定叶片表面的速度分布进行叶型设计，使叶型表面速度分布与表面气流参数能有机地结合起来，设计者可以在较宽广的范围内选择所需要的速度分布，然后设计出相对应的叶型。

Zangeneh教授于20世纪90年代提出了基于叶片载荷理论的反问题设计方法，并与日本荏原公司Goto等合作，将叶片载荷理论用于离心泵叶轮的水力设计，形成了离心泵叶轮的三维反问题设计方法。同时国内外学者还有很多学者结合反问题设计方法和优化方法针对旋转机械的应用上做出相应的研究。反问题设计方法是一种非常有前景的设计方法，其难点在于如何给定合理的叶片载荷。

(4)基于CFD的优化设计。近年来随着计算流体动力学(CFD)技术和现代优化技术的发展，一种新的叶轮机械优化设计方法，即将某种现代优化算法，如遗传算法、神经网络算法、模拟退火算法等，与流体动力学解法结合起来，以实现给定的目标函数，在叶轮机械的设计研究中被广泛应用。总体来说，叶轮机械优化设计的方法都是在叶片建模参数化和CFD技术应用的基础上进行的，利用逼近方法通过大量的计算样本算例得到目标函数的仿真解，继而用优化算法以该仿真解作为适应度函数进行迭代优化计算以找出最优的几何参数。其关键技术在于样本生成的普适性，以要求能够生成覆盖各个参数变化范围的样本数据库，充分表现各个参数在不同变化区间对目标函数的影响方向和大小;仿真环节的准确性，能够通过对样本数据库的学习，准确地预测出输入量和输出量之间的非线性关系;优化算法的全局收敛性和鲁棒性，优化算法应能够以仿真解为适应度函数进行快速收敛到最优解，同时还能够跳出局部最优解，达到全局最优解。